TELEMETRIČNI SISTEM Z MOBILNIM TELEFONOMČe imamo senzor pritiska, katerega odziv je sprememba upornosti, potrebujemo dodatno napajanje za pretvorbo odziva napetosti. Rezultat pretvorbe

Bojan Pogač

TELEMETRIČNI SISTEM Z MOBILNIM TELEFONOM

Diplomsko delo

Maribor, april 2010

II

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO 2000 Maribor, Smetanova ul. 17

Diplomska naloga univerzitetnega študijskega programa


Študent: Bojan POGAČ Študijski program: UN ŠP Elektrotehnika Smer: Elektronika

Mentor: doc. dr. Mitja SOLAR Somentor: doc. dr. Iztok KRAMBERGER

Maribor, april 2010

III

IV

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Mitji Solarju za

pomoč in vodenje pri opravljanju diplomske

naloge. Prav tako se zahvaljujem somentorju doc.

dr. Iztoku Krambergerju.

Zahvala velja celotni družini za vsestransko

podporo in potrpežljivost v času študija.

Posebna zahvala velja Srednji šoli Ravne, ki mi je

omogočila študij.

V


Ključne besede: telemetrični sistemi, tipala tlaka, tipala temperature,

mobilni telefoni

UDK: 621.38.049.7(043.2)

Povzetek

Hiter razvoj na področju mobilne telefonije nudi veliko paleto storitev, ki omogočajo

vedno zmogljivejše aplikacije. GSM telefonsko omrežje omogoča tako govorni kot

tudi podatkovni prenos podatkov. Dobro razvito omrežje mobilne telefonije lahko

uporabimo kot sredstvo za krmiljenje in telemetrijo.

Diplomska naloga temelji na izgradnji elektronske naprave za merjenje

temperature in tlaka z GSM povezavo, ki za komunikacijo uporablja mobilno

telefonsko omrežje in storitve SMS sporočil.

VI

TELEMETRIC SYSTEM WITH MOBIL PHONE

Key words: telemetric systems, pressure sensor, temperature sensor,

mobile phones

UDK: 621.38.049.7(043.2)

Abstract

Fast development of mobile telephony offers a wide palette of services, that

enable more and more efficient applications. GSM cellular network enables

speech and data transfer. A well developed mobile telephony system can be used

as a means of controlling and telemetrics.

The thesis is based on the construction of an electronic device for measuring

temperature and pressure through GSM connection, that uses cellular network

and SMS text messaging as communication service.

VII

VSEBINA 1 UVOD............................................................................................................................ 1

1.1 Opredelitev oziroma opis problema, ki je predmet raziskovanja .......................... 1 1.2 Namen in cilj diplomske naloge ............................................................................ 1 1.3 Metode raziskovanja.............................................................................................. 1

2 SENZORJI..................................................................................................................... 3 2.1 Splošne lastnosti senzorjev.................................................................................... 3 2.2 Razdelitev senzorjev.............................................................................................. 5 2.3 Senzorji fizikalnih veličin in načini delovanja ...................................................... 6 2.4 Uporaba senzorjev v sistemih................................................................................ 6

3 MERJENJE TEMPERATURE ..................................................................................... 7 3.1 Merilni pretvorniki temperature in njihova delitev ............................................... 7

3.1.1 Termoelementi............................................................................................... 8 3.1.2 Uporovni termometri ..................................................................................... 9 3.1.3 Sevalni merilniki temperature ..................................................................... 11

4 MERJENJE TLAKA ................................................................................................... 14 4.1 Enote tlaka ........................................................................................................... 15 4.2 Mehanični merilniki tlaka.................................................................................... 16 4.3 Električni merilniki tlaka ..................................................................................... 18

4.3.1 Kapacitivni merilniki tlaka .......................................................................... 19 4.3.2 Induktivni merilniki tlaka ............................................................................ 19 4.3.3 Piezo-električni merilniki tlaka ................................................................... 20

5 PREDSTAVITEV GSM OMREŽJA .......................................................................... 21 5.1 Razvoj GSM digitalnega celičnega sistema ........................................................ 21 5.2 Opis celičnega sistema ........................................................................................ 22

5.2.1 Razmerje med močjo koristnega signala in vsoto moči istokanalnih interferenčnih signalov ................................................................................................ 23 5.2.2 Enostaven teoretični model za izračun jakosti radijskega signala.............. 23

5.3 Struktura GSM sistema........................................................................................ 24 5.4 Opis in delovanje posameznih segmentov GSM sistema.................................... 25

5.4.1 MS - mobilna postaja................................................................................... 26 5.4.2 BSS - sistem bazne postaje.......................................................................... 26 5.4.3 MSC - mobilni komutacijski center............................................................. 27 5.4.4 HLR - register domačih naročnikov ............................................................ 27 5.4.5 EIR - register za identifikacijo opreme ....................................................... 28 5.4.6 VLR - register gostujočih naročnikov ......................................................... 28 5.4.7 OMC - center za nadzor in upravljanje ....................................................... 29 5.4.8 SMSC - center za posredovanje kratkih sporočil ........................................ 29 5.4.9 Radijski vmesnik - med ME in BTS............................................................ 29

5.5 Zmogljivost celičnega sistema............................................................................. 30 5.6 Izračun prometa ................................................................................................... 31

6 OPIS TELEMETRIČNEGA SISTEMA Z MOBILNIM TELEFONOM ................... 32 6.1 Zasnova naprave .................................................................................................. 32 6.2 Opis delovanja naprave ....................................................................................... 34 6.3 Električna shema naprave.................................................................................... 35 6.4 Priključne sponke in konektorji........................................................................... 36 6.5 Mikrokrmilnik ..................................................................................................... 43

VIII

6.5.1 Zgradba in delovanje mikrokrmilnika ............................................................. 43 6.5.2 Von Neumannov računalniški model .......................................................... 44 6.5.3 Centralno procesna enota - CPE.................................................................. 45 6.5.4 Glavni pomnilnik......................................................................................... 46

6.6 Atmelov mikrokrmilnik AT89C4051.................................................................. 47 6.7 Tipalo temperature DS1820 ................................................................................ 49 6.8 Tipalo tlaka MPXS4100A ................................................................................... 51 6.9 Analogno-digitalni pretvornik ADC 121S101 ................................................... 53 6.10 Izbira in priklop GSM terminala ......................................................................... 54 6.11 GSM modul CM35i ............................................................................................. 54 6.12 Komunikacija naprave z GSM modulom ............................................................ 56

6.12.1 Zaporedni vmesnik ...................................................................................... 57 6.12.2 Zaporedni asinhroni protokol ...................................................................... 58 6.12.3 Hitrost prenosa podatkov............................................................................. 58 6.12.4 Načini asinhronega zaporednega prenosa podatkov.................................... 59 6.12.5 RS232C standard ......................................................................................... 59 6.12.6 Signali.......................................................................................................... 60 6.12.7 Napetosti logičnih nivojev........................................................................... 61 6.12.8 Pretvorba logičnih nivojev med TTL in RS232 .......................................... 61 6.12.9 Pariteta in napake pri prenosu ..................................................................... 61

6.13 Programski del naprave ....................................................................................... 63 6.13.1 Osnovni opis programa................................................................................ 64 6.13.2 Nastavitev GSM modula ............................................................................. 65 6.13.3 Branje SMS sporočila.................................................................................. 65 6.13.4 Pošiljanje SMS sporočila............................................................................. 68 6.13.5 Izračun temperature ..................................................................................... 68 6.13.6 Izračun tlaka ................................................................................................ 69

6.14 Programsko okolje BASCOM............................................................................. 69 6.14.1 Bascom 8051 simulator ............................................................................... 70 6.14.2 Programator PG-302.................................................................................... 72

7 REZULTATI MERITEV ............................................................................................ 74 7.1 Napajalni del naprave .......................................................................................... 74 Merjenje temperature....................................................................................................... 77 7.2 Meritev tlaka........................................................................................................ 78 7.3 Merjenje signala pri zaporedni komunikaciji RS232 .......................................... 80 7.4 Merjenje pošiljanja in prejemanja SMS sporočila............................................... 84 7.5 Prikaz meritev na LCD prikazovalniku............................................................... 87

8 SKLEP......................................................................................................................... 90 9 LITERATURA ............................................................................................................ 91 PRILOGA A: Seznam elementov ....................................................................................... 92 PRILOGA B: Rezultati meritev .......................................................................................... 93 PRILOGA C: Zgoščenka..................................................................................................... 95

Bojan POGAČ, Diplomsko delo

1

1 UVOD

1.1 Opredelitev oziroma opis problema, ki je predmet raziskovanja

Diplomsko delo predstavlja izgradnjo elektronske naprave za merjenje temperature in tlaka

z GSM povezavo. Naprava temelji na mikrokrmilniku AT89C4051, ki ima nalogo, da

preverja vrednosti temperature in tlaka na obeh tipalih. Mikrokrmilnik s pomočjo AT

ukazov komunicira z GSM terminalom preko zaporednega vmesnika RS232. Podatke

posreduje uporabniku kot odgovor na poslano zahtevo. Uporabnik zahteve pošilja v obliki

SMS sporočil in v enaki obliki naprava podatke pošilja uporabniku.

1.2 Namen in cilj diplomske naloge

Namen diplomske naloge je bil skonstruirati elektronsko napravo za merjenje temperature

in tlaka z GSM povezavo. Naprava omogoča obveščanje o stanju različnih tipal, ki so

priključeni na napravo, prek SMS sporočil. Ker lahko mikrokrmilnik preprogramiramo,

lahko napravo poljubno nadgrajujemo in spreminjamo režim delovanja.

1.3 Metode raziskovanja

• Načrtovanje in modularna izgradnja sistema na preizkusni plošči.

• Preizkušanje različnih programskih rutin s pomočjo simulatorja, ki je del

programskega paketa Bascom - 8051.

• Sestavljanje posameznih modulov električnega vezja z mikrokrmilnikom na

preizkusni plošči, ter testiranje posameznih programskih aplikacij, potrebnih za

delovanje sistema.

• Testiranje tipal temperature in tlaka.

Naprava temelji na zajemanju podatkov tipal temperature in tlaka, ter pošiljanju vrednosti

temperature in tlaka na mobilni telefon v obliki SMS sporočil. Nadzor se vrši s pomočjo


2

programske kode in mikrokrmilnika, na katerega sta priključeni tipali temperature in tlaka.

Na mikrokrmilnik, je preko zaporedne vezave RS232, priključen GSM modul, ki skrbi za

prejemanje in pošiljanje SMS sporočil. Precej časa smo namenili testiranju tipal

temperature in tlaka, ter testiranju GSM povezave.


3

2 SENZORJI

Senzorji, so elementi in naprave, ki jih v elektroniki uporabljamo za detekcijo in zajemanje

podatkov, ter pretvorbo neelektričnih veličin v električne signale, ki so primerni za

nadaljnjo obdelavo [1]. Poznamo tudi senzorje električnih signalov in magnetnega polja. S

senzorji zajemamo predvsem podatke, ki jih ne moremo meriti neposredno.

Senzorji, imenujemo jih tipala, so elementi, ki delujejo kot človeška čutila. Občutljivi so za

temperaturo, vlago, hitrost, silo, svetlobo, pospešek, vibracije, tlak …

Senzorji morajo biti občutljivi samo za eno spremenljivko, tako da so dodatni vplivi čim

manjši. Prav tako je potrebno, da imajo linearno pretvorbo in čim večjo dinamiko.

Pomembne lastnosti senzorjev so dimenzije in odjemanje merjene veličine, saj

obremenitev spremeni merjeno vrednost. Senzor pod vplivom okolja spremeni svoje

lastnosti. Sprememba je lahko:

• neposredna: Sončna celica (fotoelement), ki jo postavimo na osvetljeno mesto,

generira napetost, ki je sorazmerna z osvetlitvijo. Električno napetost lahko

izmerimo.

• posredna: Membranski merilnik pritiska je sestavljen iz elastično vpete membrane,

ki pritisk pretvarja v mehansko silo. Sila premakne lego membrane. Če je na

membrano priključen potenciometer, se mu spremeni upornost. Spremembo

upornosti pretvorimo v spremembo električnega signala. Takšna sestava se

imenuje senzorska struktura.

Merilni pretvorniki potrebujejo energijo za prenos informacije, zato je skoraj nemogoče, da

bi merili neko veličino in ji pri tem ne bi spremenili vrednosti. Senzorji morajo porabiti

malo energije. To dosežemo s primerno senzorsko sestavo in znanim vplivom na meritev.

2.1 Splošne lastnosti senzorjev

Senzorji so potrošniki energije, zato je potrebno upoštevati njihovo porabo, zlasti v okolju

z malo energije. Efekt obremenitve je enak kot pri merjenju električne napetosti. Če želimo


4

izmeriti temperaturo tranzistorja, potem mora biti senzor bistveno manjši, sicer odvede del

toplote in merjeni rezultat je napačen.

Lastnosti senzorjev obravnavamo in merimo, če je na voljo dovolj energije.

Najpomembnejše lastnosti senzorjev:

Linearnost merimo tako, da merimo velikost izhodnega (električnega) signala (Y) v

odvisnosti od vzbujanja (X). Pri tem merimo absolutno in diferencialno linearnost.

Karakteristiko senzorja zapišemo v obliki faktorja pretvorbe KP:

XYK p Δ

Δ= , (2.1)

pri tem je:

• KP – faktor pretvorbe,

• ΔY – velikost izhodnega signala,

• ΔX – velikost vzbujanja.

Če je delovanje senzorja nelinearno (in ponovljivo), potem lahko spremenimo

karakteristiko z dodajanjem korekcijskih členov, ki linearizirajo karakteristiko. Tako

kompenziran senzor se v ustreznem amplitudnem in frekvenčnem območju obnaša kot

idealen senzor.

Točnost senzorja je podatek, ki ga lahko dobimo tako, da izmerjene vrednosti (X)

primerjamo z rezultati referenčnega merilnika (Xr) (senzorni etalon). Zapis relativne

točnosti:

%100r

rr X

XXp −= , (2.2)

pri tem je:

• rp – relativna točnost,

• X – izmerjena vrednost,

• rX – referenčna vrednost etalona.


5

Občutljivost senzorja izrazimo na dva načina:

• z absolutno občutljivostjo; sprememba odziva glede na spremembo vzbujanja,

• z relativno občutljivostjo; relativna sprememba odziva glede na relativno

spremembo vzbujanja.

Stabilnost senzorja je podatek, ki se nanaša na spremembo lastnosti senzorja, če se

spremenijo pogoji delovanja. Če imamo senzor pritiska, katerega odziv je sprememba

upornosti, potrebujemo dodatno napajanje za pretvorbo odziva napetosti. Rezultat

pretvorbe postane odvisen tudi od napajalne napetosti. Upornost senzorja je lahko odvisna

tudi od temperature okolice. Za optimalno uporabo senzorjev je potrebno poznati njihove

lastnosti, stabilnost pa izboljšamo s kompenzacijskimi sklopi, ki imajo nasprotne lastnosti.

Dinamika senzorja je območje vrednosti vzbujanja, ki povzroči linearen odziv z ustrezno

majhnim odstopanjem.

Frekvenčne lastnosti opišemo s časovno konstanto oziroma s časom, v katerem bo odziv

senzorja dejansko sorazmeren z vzbujanjem. Čas je odvisen predvsem od moči izvora in od

kopičenja energije v senzorju. Čim bolj komleksen je senzor, daljši je čas, ki ga potrebuje

za odziv. Časovna konstanta senzorja ni problematična, če ga uporabljamo v sistemih, ki

imajo bistveno daljše časovne konstante.

Zgradba senzorja je odvisna predvsem od namena uporabe. Običajno so senzorji zaprti v

ohišja, ki jih varujejo pred vplivi iz okolja. Ohišja morajo omogočati pritrditev na merilno

mesto in odjemanje odziva. Oblike in dimenzije senzorjev so zelo različne.

Način delovanja je odvisen predvsem od merjene veličine in izbranega senzorja.

2.2 Razdelitev senzorjev

Senzorje delimo glede na:

• spremenljivko, ki jo merijo,

• sestavo,

• senzorni element,

• obnašanje sestave.


6

2.3 Senzorji fizikalnih veličin in načini delovanja

Fizikalne veličine pretvorimo v električni signal z naslednjimi senzorji:

Razdalja, lega, premik: kapacitivni, induktivni, relukančni, LVDT.

Hitrost: indukcija v magnetnem polju, piezoelektrični senzor.

Pospešek: vgrajena vzmet in utež ter senzor za kapacitivnost, induktivnost, piezo element.

Kotni zasuk: kondenzator, potenciometer, fotoelement, induktivnost.

Sila: vgrajena vzmet.

Navor: merilni lističi na znani gredi.

Vibracije: vgrajena vzmet in utež.

Zvočni tlak: mikrofoni.

Pritisk: membrana.

Pretok: turbina, venturijeva cev.

Temperatura: termočlen, polprevodniški elementi, termistorji, pirometer.

Vlaga: porozni upori.

Osvetljenost: fotoupor, fotodioda, cevi z razredčenimi plini.

2.4 Uporaba senzorjev v sistemih

Senzorji vsebujejo pretvornik in senzorski element. Če jim dodamo ojačevalnik,

napajalnik, filter, AD-pretvornik, pomnilnik in prikazovalnik, dobimo merilni člen.

Z uporabo in namestitvijo senzorjev v mikroprocesorskih vezjih postanejo merilni členi del

procesnega sistema. Sodobne merilne člene lahko neposredno priključimo v računalniško

okolje.

Računalniško kontroliranje in krmiljenje sistemov z uporabo večkanalnih merilnih

instrumentov vse bolj nadomešča ročno upravljanje in zmanjšuje količino dokumentacije.

Senzorji predstavljajo temelj nadaljnje avtomatizacije proizvodnih in testnih postopkov.


7

3 MERJENJE TEMPERATURE

Temperatura je veličina, ki skupaj s drugimi veličinami določa in opisuje toplotno stanje

snovi [2]. Po kinetični teoriji je toplota merilo kinetične energije osnovnih delcev snovi.

Glede na to obravnavamo temperaturo kot eno izmed osnovnih statističnih veličin,

proporcionalno srednji kinetični energiji molekul snovi. Rečemo lahko tudi, da je

temperatura merilo toplotnega stanja homogene snovi, ali če definiramo bolj natančno:

temperatura je merilo srednje gibalne energije snovi.

Temperatura je intenzivna veličina, kar pomeni, da pri njenih osnovnih merilnih postopkih

izhajamo iz izkustvenih ugotovitev termičnega ravnotežja. V nasprotju z ekstenzivnimi

veličinami, s podano definicijo temperature torej še ni pojasnjeno, kaj naj dejansko

razumemo pod nekajkratnim povečanjem ali zmanjšanjem temperature. Z merilno-

tehniškega stališča ni mogoče definirati temperature normale, kot to počnemo pri drugih

osnovnih veličinah in s katero bi imeli možnost izraziti vsako temperaturo kot mersko

število take normale.

3.1 Merilni pretvorniki temperature in njihova delitev

Neposredna merjenja temperature, kot jih poznamo pri merjenjih dolžine, prostornine ali

teže niso možna. Temperaturo nekega telesa ali medija določamo z opazovanjem

sprememb fizikalnih lastnosti samega telesa ali medija, oziroma z opazovanjem lastnosti

posebnega termometričnega elementa, ki je z opazovanim telesom ali medijem v toplotnem

stiku.

V principu lahko za merjenja temperature uporabljamo spremembe katerekoli znane

fizikalne lastnosti opazovanega ali posebnega telesa, ki so odvisne od temperature. Vendar

v praksi uporabljamo le tiste lastnosti, ki so enoznačno povezane s spremembo temperature

in so malo, ali sploh niso, odvisne od vpliva drugih veličin, ter jih lahko dovolj točno in

čimbolj preprosto merimo po znanih postopkih in s čimbolj preprostimi napravami.

Tem zahtevam najbolj ustrezajo fizikalni pojavi kot so:


8

• toplotno raztezanje,

• sprememba električne prevodnosti,

• pojav stičnih termonapetosti,

• sprememba intenzivnosti sevanja,

ki so osnova za delovanje največjega dela merilnih pretvornikov temperature. Merilne

pretvornike delimo v dve veliki skupini, in sicer v skupino mehaničnih in v skupino

električnih merilnih pretvornikov.

Električne merilne pretvornike temperature delimo na:

• termoelemente,

• uporovne termometre,

• sevalne termometre.

3.1.1 Termoelementi

Pojav termo-napetosti in pojav termoelementa je star več kot 200 let. Termoelement je

sestavljen iz dveh žic, znanih kot termo-žici, ki sta na enem koncu zvarjeni. To mesto

poznamo kot vroči konec, torej tisto stično mesto, ki ima merilno temperaturo. Zaradi tega

zanj bolj upravičeno uporabljamo oznako merilni konec ali merilno stično mesto. Drugi

odprti konec termoelementa je namenjen priključitvi merilnika na napetost. Ta del

termoelementa imenujemo hladni konec ali boljše primerjalno merilno mesto, ki ima neko

primerjalno temperaturo. Termoelement meri razliko med merilnim in primerjalnim

stičnim mestom.

12 TTT −=Δ , (3.1)

pri tem je:

• TΔ – razlika temperature,

• 2T – merjena temperature,

• 1T – primerjalna temperatura.

To pomeni, da mora za merjenje vzdrževati T1 konstantno vrednost.


9

Termoelement je električni merilni element, ki neelektrično veličino, temperaturo

neposredno prevede v električno veličino, termoelektrično napetost. Termoelement je torej

merilni pretvornik, ki prevede merjenje temperature na merjenje električne napetosti in

predstavlja aktivni senzor. Običajno jih poimenujemo po sestavi materiala njihovih termo-

žic. Termoelementi se veliko uporabljajo v industriji.

3.1.2 Uporovni termometri

Električne uporovne termometre razvrščamo v dve osnovni skupini, in sicer v skupini:

• kovinskih uporovnih termometrov,

• polprevodniških uporovnih termometrov.

Značilnost obeh je, da uporabljata temperaturno odvisnost električne upornosti

uporabljenega materiala za merjenje temperature. Pri tem se uporovni materiali obeh

skupin medsebojno razlikujejo.

Pri kovinskih uporovnih termometrih uporabljamo kot uporovne materiale pretežno čiste

kovine ali posebne kovinske zlitine. Sipanje prevodnih elektronov v atomski mreži,

odgovorni za transport naboja, je močno odvisno od temperature in karakterizira

temperaturno obnašanje te vrste termometrov.

Pri polprevodniških uporovnih termometrih imamo opravka z materiali, ki so pri nizkih

temperaturah zelo slabi električni prevodniki. Povečanje števila prevodnih elektronov s

temperaturo je karakteristično za obnašanje te vrste termometrov.

Kovinski uporovni termometri

Pri kovinskih uporovnih termometrih narašča električna upornost z naraščanjem

temperature. Ta odvisnost ima relativno komplicirano obliko, pri tem imajo pomembno

vlogo temperaturno področje, koncentracija tujih snovi v materialu ter različni načini

vodljivosti. Pri čistih kovinah lahko le v okviru določenega področja in z relativno dobro

točnostjo določimo temperaturno odvisnost upornosti v obliki potenčne vrste.


10

Polprevodniški uporovni termometri

Pri merjenjih temperature s polprevodniškimi uporovnimi termometri uporabljamo

materiale, ki so pri nizkih temperaturah slabi električni prevodniki.

Delimo jih v naslednje skupine:

• polprevodniška uporovna tipala iz materiala s pozitivnim temperaturnim

koeficientom,

• polprevodniška uporovna tipala iz materiala z negativnim temperaturnim

koeficientom,

• temperaturna tipala na osnovi silicija,

• diode in tranzistorji kot tipala temperature,

• monolitno integrirana elektronska vezja na tranzistorskem principu kot tipala

temperature.

Polprevodniška uporovna tipala iz materiala s pozitivnim temperaturnim

koeficientom

To vrsto tipal poznamo tudi kot PTC upore ali POZISTORJE. Zaradi relativno velike

prevodnosti pri nizkih temperaturah, jih poznamo tudi kot hladne prevodnike. Kot material

uporabljamo sintrano keramiko, večinoma na osnovi polikristalov barijevega-titanata z

različnimi dodatki kovinskih oksidov in soli. Z dodatki in tehnološkim postopkom

izoblikujemo nekatere lastnosti materiala.

PTC upore uporabljamo za enostavne, ne posebej natančne naloge nadzora in zaščite. Če v

ta namen na PTC upor pripeljemo neko enosmerno napetost, bo pri manjših napetostih tok

na uporu naraščal proporcionalno z vrednostjo napetosti.

PTC upore uporabljamo na naslednjih področjih:

• za nadzor temperature v navitjih električnih motorjev,

• za nadzor mejnih vrednosti nivoja tekočin,

• za nadzor mejnih vrednosti temperatur v napravah za pripravo tople vode,

vzdrževanje temperature v termostatih, gospodinjskih aparatih,

• za nadzor in omejevanje električnega toka v motorjih različnih naprav.

Razen tega jih pogosto uporabljamo tudi kot grelne elemente v različnih napravah.


11

Polprevodniška uporovna tipala iz materiala z negativnim temperaturnim

koeficientom

To vrsto uporov poznamo tudi kot NTC upore ali TERMISTORJE. To pomeni, da njihova

upornost pada z dvigom temperature. Od tod jih poznamo tudi pod imenom vroči

prevodniki. Po izdelavi so polprevodniški keramični upori, pri katerih je keramika

sestavljena iz polikristalov, mešane oksidne keramike, težkih kovin ali spojin redkih

zemelj in sintrana na visokih temperaturah. Uporabljamo jih lahko pri temperaturah od 450

ºC do -100 ºC, v posebnih izvedbah tudi do 1000 ºC. NTC upore največkrat realiziramo na

osnovi silicija. Merjenja temperature s silicijevimi senzorji so posebej zanimiva za

masovno uporabo, saj so tovrstni senzorji občutno cenejši in imajo velike vrednosti

temperaturnih koeficientov. Slaba lastnost silicijevih senzorjev je majhno merilno področje

in velika nelinearnost.

Temperaturna tipala, izdelana s silicijem kot osnovnim materialom, delimo v dve osnovni

skupini, odvisno od vrste uporabljenega silicija.

Tako poznamo:

• temperaturna tipala, izdelana iz monokristalnega silicija,

• temperaturna tipala, izdelana iz polikristalnega silicija.

Silicijeve senzorje uporabljamo tako, da dobimo direkten frekvenčni izhod. Tako vezje

oziroma direktna pretvorba analogne vrednosti temperature v diskreten izhodni signal je še

posebej zanimivo ob priključitvi senzorja na računalnik, saj pri tem odpade relativno draga

analogno-digitalna pretvorba z uporabo analogno-digitalnega pretvornika. Novejši razvoj

na področju silicijevih tipal si prizadeva razviti ceneni senzor, izdelan po znani tehnologiji

proizvodnje polvodniških elementov, ki bi bil z ostalimi sestavnimi elementi integriran na

istem čipu. Gre za upor iz polikristalnega silicija, katerega temperaturni količnik je mogoče

spreminjati s koncentracijo dotiranja v širokem področju.

3.1.3 Sevalni merilniki temperature

Vsaka snov, s temperaturo T, ki leži nad absolutno ničlo, oddaja elektromagnetno sevanje,

ki ga poznamo kot toplotno ali temperaturno sevanje. Pri temperaturah, nižjih od tisoč

stopinj Celzija, je sevanje posledica nihanja atomov v prostorski rešetki trdih teles ali

nihanj in rotacije atomov ali molekul, snovi v plinastem stanju. Pri višjih temperaturah

imajo pomembno vlogo disociacijski in ionizacijski postopki. Trda telesa in tekočine


12

oddajajo zvezne spektre ali spekter s širokim valovnim področjem, medtem ko plini sevajo

le diskretne valovne dolžine ali spekter v omejenih področjih.

Sevanje je oblika izmenjave energije med dvema ali več objekti. Z merjenji te izmenjave

lahko identificiramo vir sevanja in sklepamo na njegovo temperaturno stanje. Merilnike te

vrste poznamo kot sevalne termometre ali pirometre. Pri merjenju z njimi termometer nima

neposrednega stika z merilnim objektom, oziroma merilnim medijem, kar pomeni, da

postopek merjenja ne vpliva na stanje oddajnika sevanja. V tem primeru merjenje poteka

brez povratnega vpliva.

Brezstična merjenja ponujajo nekatere prednosti, kot so:

• merjenja zelo visokih temperatur, pri katerih ni mogoča uporaba termoelementov,

• merjenja temperature pri telesih ali merilnih medijih, ki imajo slabo toplotno

vodljivost ali majhno toplotno kapaciteto,

• merjenja temperature na nedostopnih ali gibajočih objektih,

• merjenja temperature, kjer so zahtevani zelo kratki odzivni časi.

Najpomembnejša uporaba sevalnih termometrov je bila v preteklosti na področju visokih

ali zelo visokih temperatur. Vendar so v zadnjih letih razvili zelo občutljiva sevalna tipala,

ki omogočajo uporabo postopka tudi za merjenja temperatur pod 0 ºC.

Tipala sevanj

Razlikujemo:

• črna in siva tipala,

• selektivna tipala.

Črna in siva tipala poznamo tudi kot termična sevalna tipala. V to skupino štejemo

termoelemente in bolometre. Značilno za njih je, da imajo občutljivost neodvisno od

valovne dolžine v širokem področju, ki se razprostira od ultravijoličastega do precejšnjega

dela infrardečega področja sevanja. Primerna so predvsem za merjenja nižjih temperatur

(pod 100 ºC), torej pri večjih valovnih dolžinah, kljub temu, da imajo manjšo občutljivost

od fotoelektričnih tipal.


13

V skupino selektivnih tipal spadajo fotoelektrična sevalna tipala, ki so večinoma

polprevodniškega izvora. To so fotoelementi, fotoupori, fotodiode in fototranzistorji. Na

sevanje so občutljivi le v nekem ozkem področju spektra in v tem področju so močno

odvisni od valovne dolžine. Njihova absolutna občutljivost je občutno večja kot pri

termičnih tipalih.

Obe vrsti tipal dajeta izhodne signale v obliki sprememb toka, napetosti ali upornosti.


14

4 MERJENJE TLAKA

Tlak je, tako kot temperatura, veličina stanja [2]. Od tlaka so odvisne lastnosti vsake snovi,

ki jo poznamo in uporabljamo. Veliko število fizikalnih veličin lahko izražamo s tlakom.

Glede na to je tlak pomembna veličina, ki določa v tehniških procesih stanja fluidov. Temu

ustrezno so tudi razširjene naprave in postopki za merjenje tlakov.

Fizikalna veličina tlak, ki jo na splošno označimo s p, je definirana kot kvocient sile F, ki

deluje na enoto površine A v smeri njene normale:

AFp = , (4.1)

pri tem je:

• p – tlak,

• F – sila,

• A – površina.

V tehniških sistemih nas zanimajo za merjenje tri različne vrste tlaka, ki se medsebojno

razlikujejo glede na primerjalno točko.

To so:

• absolutni tlak – pabs,

• nadtlak – pe,

• diferencialni tlak (razlika tlakov) – Δp.

Za absolutni tlak – pabs je kot primerjalna ničelna točka izbran prazen prostor, za nadtlak –

pe je kot primerjalna ničelna točka izbrana vsakokratna vrednost atmosferskega tlaka –

pamb. Tako je nadtlak definiran z izrazom:

ambabse ppp −= , (4.2)

pri tem je:


15

• ep – nadtlak,

• absp – absolutni tlak,

• ambp – atmosferski tlak.

Pri diferencialnem tlaku – Δp je za primerjalno točko lahko izbrana poljubna ustrezna

točka. Diferencialni tlak je definiran kot razlika dveh absolutnih tlakov:

21 absabs ppp −=Δ , (4.3)

pri tem je:

• pΔ – diferencialni tlak,

• 1absp – absolutni tlak 1,

• 2absp – absolutni tlak 2.

Proizvodnja in konstrukcija merilnih naprav za merjenje nadtlakov je enostavnejša in

cenejša od proizvodnje merilnih naprav za merjenja absolutnih tlakov. To je eden izmed

razlogov, da v tehniških sistemih najpogosteje uporabljamo merilne naprave za merjenje

nadtlakov.

4.1 Enote tlaka

Glede na definicijo tlaka kot fizikalne veličine je ustrezno definirana mednarodna izpeljana

enota SI:

2111mNPapascal == . (4.3)

Definicija se glasi: Pascal je tlak, ki ga povzroča sila 1 newtona, ki je enakomerno

razporejena in deluje pravokotno na ravno površino 1 kvadratnega metra.

Iz podane definicije je razvidno, da je 1 Pa relativno majhna enota in zato v tehniških

sistemih ni uporabna. V praksi zaradi tega raje uporabljamo:


16

25101,01

mNMPabar == , (4.4)

ki je posebno ime za 105 Pa oziroma 0,1 MPa. V praktični uporabi pri merjenjih manjših

tlakov se je uveljavil:

1 milibar = 1 mbar = 100 Pa. (4.5)

4.2 Mehanični merilniki tlaka

Mehanične merilnike tlaka razvrščamo v dve veliki podskupini:

• podskupino tekočinskih merilnikov tlaka,

• podskupino elastičnih merilnikov tlaka.

V podskupino tekočinskih merilnikov tlaka sodijo:

• merilnik z U-cevjo,

• merilnik s poševno cevjo,

• merilnik s plavačem,

• obročna tehtnica,

• tehtnica z zvonom,

• tlačna tehtnica,

• batni merilnik.

V podskupino elastičnih merilnikov tlaka sodijo:

• cevni merilnik,

• merilnik z mehom,

• membranski merilnik,

• merilnik s kapsulo.

Tekočinski merilniki tlaka delujejo na principu veznih posod. Oba konca tekočinskih

stebričkov s tlaki p1 in p2, ki se razlikujeta za:


17

21 ppp −=Δ , (4.6)

pri tem je:

• pΔ – razlika tlakov,

• 1p – tlak 1,

• 2p – tlak 2,

povzročita premik tekočinskega stebrička zaporne tekočine za dolžino H. Za ravnotežno

stanje velja enakost sil, in je:

AHgAp ×××=×Δ ρ , (4.7)

pri tem je:

• pΔ – razlika tlakov,

• A – površina preseka stebrička,

• H – razlika meniskusov,

• ρ – gostota zaporne tekočine,

• g – zemeljski pospešek.

Iz enačbe potem dobimo:

Hgppp ××=−=Δ ρ21 . (4.8)

Pri elastičnih merilnikih tlaka dovajamo merjeni tlak merilnemu elementu, ki se elastično

deformira oziroma spremeni svoj raztezek pod vplivom tlaka. Sprememba mehaničnega

raztezka je proporcionalna merjenemu tlaku.

Otipamo jo lahko na različne načine:

• po mehaničnem,

• po električnem ali

• po pnevmatskem načinu.


18

4.3 Električni merilniki tlaka

Na področju električnih postopkov merjenja tlaka poznamo veliko število izvedb, ki po eni

strani izhajajo iz različnih fizikalnih principov, po drugi pa iz številnih konstrukcijskih

rešitev.

Za osnovo delovanja so najpogosteje uporabljeni štirje principi, ki izhajajo iz merjenj

električne upornosti, kapacitivnosti, induktivnosti in resonančne frekvence. Razen teh

uporabljamo tudi piezzo-električni in optični princip ter izkoriščanje Hall-ovega efekta.

Področje je zelo napredovalo z razvojem polvodniških tehnologij, ki so omogočile

miniaturne izvedbe, poceni proizvodnjo ter odprte možnosti komunikacij in digitalno

obdelavo izhodnega signala.

Sodobni senzorski elementi za merjenje tlaka pogosteje uporabljajo princip merjenja

spremembe električne upornosti zaradi spremembe raztezka merilnega elementa pod

vplivom tlaka. Pri tem uporabljamo različne vrste merilnih trakov:

• kovinske,

• debeloplastne,

• piezouporovne.

Razen teh na tržišču najpogosteje ponujajo izvedbe merilnikov na:

• kapacitivnem,

• induktivnem,

• piezo-električnem principu.

Električni senzorji imajo v primerjavi z mehanskimi naslednje prednosti; merilna veličina

je podana v obliki električnega signala, kar omogoča poljubno nadaljnjo obdelavo, majhne

kompaktne izvedbe, možnost merjenja dinamičnih sprememb tlaka, zelo kratke odzivne

čase. Imajo pa tudi slabosti, kot so: potreba po energiji, zahtevnejše vzdrževanje in večjo

občutljivost na mehanične in kemične vplive.


19

4.3.1 Kapacitivni merilniki tlaka

Kapacitivni princip merjenj, s katerimi prevedemo spremembo premika nekega

deformacijskega telesa v spremembo kapacitivnosti, predstavlja zelo občutljivo merilno

metodo. Največjo uporabo je postopek doživel pri izvedbi merilnih pretvornikov

diferencialnega tlaka.

Fizikalni princip izhaja iz sprememb kapacitivnosti dveh vzporednih medsebojno

izoliranih elektrod. Obe elektrodi tvorita kondenzator, ki se mu kapacitivnost spreminja

recipročno s spremembo razdalje:

dAC ⋅= ε , (4.9)

pri tem je:

• C – kapacitivnost,

• A – površina elektrod,

• ε – dielektrična konstanta medija,

• d – razdalja med elektrodama.

Različne izvedbe imajo obliko navadnega ali diferencialnega kondenzatorja, kot elektrode

se praviloma uporabljajo krožne membrane. Če med membrano in nasprotno elektrodo

ustvarimo vakuum, lahko merimo absolutne tlake, če ta prostor povežemo z atmosferskim

tlakom, merimo nadtlake, če pa na obe strani membrane dovedemo različne tlake, merimo

njihovo razliko.

4.3.2 Induktivni merilniki tlaka

Induktivni merilniki tlaka delujejo na principu merjenj premikov. Kot osnovni element

uporabljamo elastične elemente, predvsem membrane, katerih upogibe zaradi delovanja

tlaka pripeljejo na merilnik premika, praviloma sestavljen iz dveh tuljavic z jedrom iz

feromagnetnega materiala. S premikom jedra pod vplivom tlaka se protismerno spreminja

kompleksna upornost tuljavic.

Premik membran je v področju okoli 0,1 mm. Temperaturno občutljivost reduciramo na

minimalne vrednosti s primerno izbiro materialov. Sistem daje dobre merilne učinke že pri


20

premikih v μm-skem področju. Zaradi zelo enostavne izvedbe so to zelo robustne naprave z

zelo dobro dolgoročno stabilnostjo. Uporabni so do temperature 350 ºC.

4.3.3 Piezo-električni merilniki tlaka

Piezo-električni materiali imajo lastnost, da se na njihovih površinah pojavi električni

naboj, če so izpostavljeni delovanju mehaničnih vlečnih ali tlačnih sil. Pojav poznamo kot

piezo-električni efekt. V tehniške namene izkoriščamo to lastnost predvsem pri kristalih in

nekaterih vrstah keramike. Piezo-električni efekt se pojavi pri aksialni tlačni obremenitvi le

pri kristalih, ki imajo polarne osi. Pri merjenjih tlakov izpostavimo kristale njihovemu

neposrednemu vplivu. Na površinah dobljeni naboj Q je direktno proporcionalen

merjenemu tlaku p, površina A in piezo-električnemu koeficientu k:

pAkQ ⋅⋅= , (4.10)

pri tem je:

• Q – naboj,

• A – površina ,

• k – piezo-električni koeficient,

• p – tlak.

V odvisnosti od položaja osi delovanja tlaka proti polarni osi kristala razlikujemo

longitudinalni in transverzalni piezo-efekt.


21

5 PREDSTAVITEV GSM OMREŽJA

5.1 Razvoj GSM digitalnega celičnega sistema

Prvi celični radijski sistem v Evropi je bil postavljen leta 1981, in sicer v Skandinaviji, z

zmogljivostjo nekaj tisoč uporabnikov. V Evropi je v uporabi prek deset različnih

analognih in digitalnih celičnih sistemov. Skupno število naročnikov v teh sistemih je leta

2003 presegalo milijardo uporabnikov.

Med analognimi sistemi in njihovimi mobilnimi postajami obstaja splošna nezdružljivost.

Zato so se leta 1982 dogovorili o zasnovi novega evropskega enotnega digitalnega

celičnega sistema. Določili so 900 MHz frekvenčni pas za nov celični sistem. Prva

pomembnejša odločitev s strani skupine GSM (Groupe Special Mobile) komiteja je bila

izbira digitalnega sistema. Leta 1986 se je v Parizu odločalo med devetimi sistemi z

različnimi tehničnimi lastnostmi. V začetku naslednjega leta se je na podlagi testnih

rezultatov GSM komite odločil za sledeče tehnične rešitve:

• TDMA (Time Division Multiple Access) z osmimi kanali na nosilno frekvenco,

• RPE - LPC (Regular Pulse Excited Linear Predictive speech Codec) s hitrostjo 13

kbit/s in konvolucijskim kodom (2, 1, 5),

• 200 kHz razmik med nosilnimi frekvencami,

• GMSK (Gaussian filtered Minimum Shift Keying) tip modulacije.

Leta 1988 je bilo končanih vseh trinajst sklopov GSM priporočil, ki zajemajo večino

podrobnosti digitalnega celičnega sistema. GSM omrežje deluje v dveh frekvenčnih

pasovih, ki sta razmaknjena za 45 MHz. GSM terminal oddaja v frekvenčnem območju od

890 do 915 MHz. V tem območju sprejema tudi bazna postaja, medtem ko oddaja v

frekvenčnem območju od 935 do 960 MHz. To je območje, v katerem sprejema tudi GSM

terminal. Pri teh dveh frekvenčnih pasovih, dobimo pri razmiku nosilnih frekvenc 200

kHz, 124 parov radijskih kanalov. Če upoštevamo TDMA tehniko in 8 časovnih oken na

nosilec frekvence, se končno število prometnih in signalizacijskih parov poveča na 992.


22

5.2 Opis celičnega sistema

Pri celičnih radijskih omrežjih razdelimo celotno območje, ki ga želimo pokriti z radijskim

signalom, na celice. Pri tem je v poenostavljeni idealni celični strukturi velikost in

razporeditev vseh celic enaka. Območje posamezne celice pokriva ena bazna postaja,

postavljena praviloma v središču celice. Okrog vsake celice je razporejenih šest

istokanalnih celic. To so celice, ki delujejo na isti frekvenci. Najpogosteje se uporabljajo

celični sistem s sedmimi celicami v skupini. Minimalna oddaljenost med istokanalnimi

celicami je določena z največjim dovoljenim razmerjem med koristnim radijskim signalom

celice in vsoto motilnih signalov istokanalnih celic v okolici. Pri tem praviloma

upoštevamo le motilne signale najbližjih šestih istokanalnih celic, medtem ko druge

oddaljene celice zanemarimo.

r – polmer celice

d – razdalja med baznimi postajami

Slika 5.1: Struktura celičnega radijskega omrežja

Velikost celice je odvisna od moči bazne postaje. V vsaki skupini celic lahko uporabimo

vse razpoložljive frekvence, ki se lahko ponavljajo v skupinah celic, ki ne mejijo ena na

drugo. Razdalja med sosednjima oddajnikoma z enakimi frekvencami mora biti večja od

premera celice. S tem preprečimo interferenčne motnje. Število razpoložljivih frekvenc

določa kapaciteto prometa v omrežju. Večje število sočasno uporabljenih frekvenc,


23

narekuje manjšo velikost celic. Dimenzije celic znašajo od dva do petintrideset kilometrov.

V urbanem okolju, kjer je promet gostejši, uporabljamo celice manjših dimenzij. Razdalja

med istokanalnimi celicami v celičnem radijskem omrežju je pomemben podatek, saj

neposredno vpliva na potrebno število frekvenc v omrežju. Osnova za izračun minimalne

dopustne razdalje med istokanalnimi celicami je model za izračun jakosti radijskega

signala v prostoru. V praksi se v ta namen uporabljajo različni modeli. V strokovni

literaturi se v ta namen zaradi enostavnosti modela največkrat uporablja enostaven

teoretični model, ki bo opisan v nadaljevanju.

5.2.1 Razmerje med močjo koristnega signala in vsoto moči istokanalnih

interferenčnih signalov

Razmerje med močjo koristnega signala PC in vsoto moči istokanalnih interferenčnih

signalov PI ne sme nikjer v celici preseči minimalno dovoljeno vrednost, ki še zagotavlja

normalno delovanje radijskih postaj. Pogoju zadostimo, če na robu celice zagotovimo

minimalno dovoljeno razmerje vrednosti moči koristnega signala PC in vsote moči

istokanalnih interferenčnih signalov PI. Moč koristnega signala na robu celice je:

, (5.3)

pri tem je:

• PC - moč koristnega signala,

• P0 - moč koristnega oddajnika v celici,

• L(r) - slabljenje signala na razdalji r,

• r - polmer celice.

5.2.2 Enostaven teoretični model za izračun jakosti radijskega signala

Enostaven teoretični model za izračun jakosti radijskega signala na sprejemniku Ps(x) v

odvisnosti od moči oddajnika Po je:

, (5.2)

pri tem je:

• ho - višina oddajnika,

[ ]WLPP(r)

OC =

2

2so

o(x)

os(x) x

hhPLPP ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅⋅==


24

• hs - višina sprejemnika,

• x - razdalja med oddajnikom in sprejemnikom,

• Ps(x) - moč radijskega signala na sprejemniku,

• Po - moč oddajnika.

Iz zgornje enačbe dobimo slabljenje L(x):

(5.3)

5.3 Struktura GSM sistema

Na spodnji sliki je prikazana blokovna shema poenostavljene strukture celičnega GSM

sistema. Sistem vsebuje precej segmentov, ki omogočajo nemoteno delovanje omrežja in

zagotavljajo standardne storitve, ki jih tak sistem nudi.

Slika 5.2: Struktura GSM sistema po ETSI standardu

.2

so

2

(x) hhxL ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

=


25

5.4 Opis in delovanje posameznih segmentov GSM sistema

V GSM omrežju so mobilne komunikacije določene z mnogimi funkcijami in procedurami

omrežja. Preden opišemo posamezne segmente omrežja in njihovo delovanje, si oglejmo

poenostavljeno zgradbo GSM sistema.

Slika 5.3: Arhitektura GSM omrežja

Pomen kratic:

SIM - Modul za identifikacijo uporabnika BCS - Kontrolor bazne postaje

BTS - Bazna oddajno-sprejemna postaja HLR - Register domačih uporabnikov

MSC - Mobilni komutacijski center EIR - Register za identifikacijo opreme

VLR - Register gostujočih uporabnikov

PSTN - Javno komutirano telefonsko omrežje

ISDN - Digitalno omrežje z integriranimi storitvami


26

5.4.1 MS - mobilna postaja

Mobilna postaja je terminal, ki ga uporablja GSM uporabnik. Sestavljata jo:

• SIM (Subscriber Identity Modul) - modul za identifikacijo uporabnika,

• ME (Mobile Equipment) - mobilna oprema (običajno prenosni GSM terminal).

SIM modul je uporabniška prepoznavna kartica, ki vsebuje IMSI, in druge uporabnikove

podatke, ki so potrebni za prijavo v GSM omrežje. IMSI vsebuje podatke, ki določajo

uporabnika v GSM omrežju. Ti podatki se hranijo v HLR registru, sproti pa se obnavljajo v

VLR registrih. SIM kartica mora biti aktivirana in vstavljena v ME, da ima uporabnik

dostop do GSM omrežja. SIM kartico je možno zaščititi s PIN kodo. Geslo lahko

uporabnik določa in spreminja sam. Če vnesemo pri vklopu mobilnega telefona trikrat

napačno kodo se SIM kartica zaklene. Odklenemo jo lahko s posebno PUK kodo. ME je

GSM terminal ali drug tip mobilne opreme, ki je zgrajen v skladu z GSM standardom. ME

je izjemno kompleksna naprava, ki opravlja funkcije radijskega prenosa, upravljanja z

radijskim kanalom, merjenja jakosti signala, dekodiranja in kodiranja govora, enkripcije

kodiranih podatkov, vodenja predaje klicev ter upravljanja s prenosom podatkov. Sodobni

GSM terminali poleg tega podpirajo še številne uporabniške storitve in se po

funkcionalnosti približujejo dlančnikom. Poznamo razne tipe mobilnih postaj, od

prenosnih in ročnih mobilnih postaj do vgradnih postaj za vozila. Od tipa mobilne postaje

je odvisna tudi izhodna RF moč, ki je določena v GSM priporočilu 02.06.

Tabela 3.1: Tabela predpisanih RF moči

Vrsta postaje Izhodna RF močVgradne mobilne 20 W 8 W -Prenosne mobilne 20 W 8 W -Ročne mobilne 5 W 2 W 0,8

5.4.2 BSS - sistem bazne postaje

Sistem bazne postaje oziroma bazna postaja je razdeljena na oddajni del bazne postaje BTS

in na krmilnik bazne postaje BSC, ki sta med seboj povezana z A-bis vmesnikom. BSS

vsebuje BSC in eno ali več BTS. BSC izvaja vse nadzorne funkcije v bazni postaji. Če

oprema ene bazne postaje služi večjim celicam, tudi krmilnik bazne postaje BSC služi več

oddajno-sprejemnim postajam. Bazna postaja upravlja z radijskimi kanali, s prenosom


27

ustrezne signalizacije ter s komunikacijami s skokovitim spreminjanjem frekvence. BS

nadzira tudi kakovost povezave ter nivo prenosne moči. Naloga bazne postaje je tudi

nadzor in korekcija napak pri prenosu signala, prilagoditev hitrosti prenosa podatkov,

kodiranje digitalnega signala govora, kriptiranje podatkov in signalizacije ter predaja zvez

znotraj celice zaradi prehoda na boljši radio frekvenčni kanal. Bazna postaja vrši tudi HO

(Handover) funkcijo opisano v nadaljevanju. Vse kontrolne funkcije BSS opravlja BSC.

Ponavadi si predstavljamo, da je oddajnik BTS nameščen v središču celice, vendar ni tako,

ker bi bilo v praksi tako razvrščanje BTS-jev predrago. Operaterji navadno z eno gradnjo

pokrijejo dva ali tri sektorje oziroma celice. BST si ponavadi predstavljamo kot antenski

drog, na katerem je nameščenih več anten za oddajnike in sprejemnike, ki se nahajajo ob

stolpu v ustrezno zavarovanem prostoru. BSC se navadno nahaja v posebni zgradbi in

nadzoruje več BST-jev.

5.4.3 MSC - mobilni komutacijski center

Mobilni komutacijski center in bazna postaja sta povezana prek A-bis vmesnika. MSC

opravlja vse komutacijske funkcije potrebne za delovanje mobilnih postaj v skupini celic,

ki jih zajema. Mobilni komutacijski center opravlja funkcije, kot so usmerjanje in kontrola

poziva, procedure potrebne za povezavo z drugimi omrežji, na primer s PSTN in ISDN

omrežjem. MSC izvaja tudi procedure upravljanja mobilnih postaj, kot so ugotavljanje

lokacije mobilnih postaj, preverjanje avtorizacije in procedure pri izvajanju HO postopka.

Handover je postopek, pri katerem bazna postaja preda komunikacijo mobilne postaje

drugi bazni postaji, pri prehodu mobilne postaje iz območja ene v območje druge celice.

Do zamenjave komunikacijskega kanala znotraj ene celice pride tudi v primeru, če se na

obstoječem kanalu pojavijo interferenčne ali druge motnje, zaradi česar kanal ni več

primeren za komunikacijo. Če je komunikacijski promet gost, se morajo RF kanali

ponavljati bolj pogosto. Celice so v tem primeru manjše, poveča pa se verjetnost

medkanalne interference. Takšno interferenco lahko preprečimo z učinkovitim algoritmom

za HO predajo komunikacije, ki temelji na ugotavljanju kakovosti sprejetega signala.

5.4.4 HLR - register domačih naročnikov

Register domačih naročnikov je enota, ki je namenjena bazi podatkov za upravljanje z

domačimi mobilnimi naročniki. V HLR registru so podatki o vseh domačih naročnikih in o


28

storitvah sistema. V tej enoti je shranjen tudi del informacije o lokaciji mobilnega

naročnika. HLR je tisti, ki dovoli dohodnim klicem, da so usmerjeni na mobilni

komutacijski center. MSC je zadolžen za področje, kjer se mobilna postaja trenutno nahaja.

MS mora periodično obveščati PLMN javno mobilno omrežje o svoji geografski lokaciji,

zato da se lahko ta informacija popravlja oziroma spreminja v registru domačih

uporabnikov. Zaradi tega je mobilno omrežje razdeljeno na več geografskih področij, ki so

razpoznavna prek unikatnega identifikacijskega simbola, ki ga sprejme vsaka mobilna

postaja prek BCCH (Broadcast Control Channel) kanala.

Mobilna postaja neprestano nadzira stanje identifikacijskega simbola. Vsaka sprememba

simbola, pomeni zahtevo, da mobilna postaja odda informacijo o svoji novi lokaciji.

Register domačih naročnikov vsebuje informacijo o mednarodni identiteti mobilnega

naročnika - IMSI. Ta številka se uporablja za preverjanje naročnika pri njegovem

avtentikacijskem centru AUC. S takšno proceduro se preveri, ali lahko naročnik sploh

uporablja sistem.

5.4.5 EIR - register za identifikacijo opreme

V EIR register se shrani identifikacijska številka uporabnika z oznako IMEI.

Identifikacijska številka uporabnika omogoča razpoznavo izgubljenega ali ukradenega

mobilnega telefona s strani operaterja omrežja.

5.4.6 VLR - register gostujočih naročnikov

Register gostujočih uporabnikov hrani skoraj identične podatke o domačih uporabnikih kot

HLR, hkrati pa hrani tudi podatke o gostujočih uporabnikih, ki so trenutno v obsegu

omrežja. Gostujoči uporabnik postane po uspešni registraciji, v tujem omrežju

enakopraven domačemu uporabniku glede storitev, ki so mu na voljo. VLR hrani trenutne

podatke o lokaciji uporabnika. Da teh podatkov ni mogoče zlorabiti, priredi TMSI

(Temporary Mobile Subscriber Identity) vsakemu uporabniku začasni identifikator

mobilne postaje vsakič, ko uporabnik zamenja celico, v kateri se nahaja mobilna postaja.

TMSI se dodeljuje po kompleksnem algoritmu. Sledenje gibanju uporabnika je mogoče

samo, če operater omogoči vpogled v algoritem, ki dodeljuje TMSI ter v podatke o

sektorjih, ki so jim bili ti TMSI-ji dodeljeni. Čeprav obstaja programska oprema, ki


29

omogoči relativno hitro obdelavo teh podatkov, je postopek ugotavljanja lokacije

uporabnika še vedno precej zapleten.

5.4.7 OMC - center za nadzor in upravljanje

Center za nadzor in upravljanje, NMC (Network Management Centre) - center za

upravljanje omrežja in ADC (Administration Centre) - administrativni center so

funkcionalne enote, prek katerih je možno nadzorovati in krmiliti celoten sistem.

Pozivna procedura je procedura, pri kateri začne mobilna postaja iskati bazno postajo.

Bazna postaja mora zagotoviti dovolj velik nivo sprejetega signala na BCCR nosilcu, na

katerega se sinhronizira bazna postaja. Bazna postaja zaseže dvosmerni signalni kanal in

vzpostavi povezavo z mobilnim komutacijskim centrom, ki je zadolžen za to področje.

MSC uporabi IMSI, ki ga prejme od mobilne postaje za poizvedovanje o naročniku v

njegovem HLR registru. Informacije, ki jih mobilni komutacijski center pridobi iz HLR

registra, se nato prenesejo v lokalni VLR register. Mobilna postaja nato definira tip

storitve, ki jo pričakuje ter odda izbrano številko za ta klic. Bazna postaja, ki je zadolžena

za to celico, končno dodeli prometni kanal prek katerega mobilni komutacijski center

usmeri klic k naslovniku.

5.4.8 SMSC - center za posredovanje kratkih sporočil

Mobilni telefoni lahko sprejemajo in oddajajo SMS sporočila dolžine do 160

alfanumeričnih znakov. Če je GSM telefon izključen oziroma če se nahaja v območju, kjer

storitev ni dostopna, se sporočilo namenjeno temu telefonu shrani v SMSC centru. Takoj

ko je telefon spet dosegljiv oziroma prijavljen v GSM omrežje, SMSC takoj posreduje

shranjeni SMS uporabniku. SMS storitev je podobna alfanumerični "paging" storitvi, le da

je naprednejša.

5.4.9 Radijski vmesnik - med ME in BTS

Radijski vmesnik Um je zelo natančno specificiran v GSM standardu. Le tako je mogoče

zagotoviti popolno skladnost vseh tipov ME z vsakim GSM omrežjem. Gre za radijski

vmesnik med ME in BTS. GSM uporablja za radijsko povezavo 200 kHz široke nosilne

kanale. Kanal je definiran s frekvenco ter položajem v TDMA časovnem okvirju. Na enem


30

radijskem kanalu je mogoča samo enosmerna komunikacija. Če želimo doseči dvosmerno

komunikacijo, moramo vsak kanal povezati s kanalom v drugem frekvenčnem pasu. Tako

kanali v frekvenčnem pasu od 880 MHz do 915 MHz služijo za povezavo od MS proti

BTS, kanali na frekvenčnem pasu 935-960 MHz pa za povezavo od BTS proti MS.

Radijski kanali v GSM so oštevilčeni glede na frekvenčni pas, ki ga zavzemajo znotraj

GSM pasu. Kanali v GSM se delijo na prometne in krmilne kanale. Prometni kanali

podpirajo prenos govora in podatkov. Po prometnih kanalih se prenašajo tudi podatki o

signalu sosednjih celic, ki jih sprejema MS. Krmilni kanali služijo upravljanju in za

koordinacijo omrežja. Krmilni kanali so:

• oddajni kanali, prek katerih se MS časovno in frekvenčno uskladi z omrežjem,

• skupni krmilni kanali, prek katerih se MS prijavi na omrežje, zaseže ustrezen

prometni kanal ter pridobi podatke o dohodnih klicih,

• namenski krmilni kanali, prek katerih poteka signalizacija dvosmerne povezave,

• pridruženi krmilni kanali, ki prevzamejo funkcijo prometnik kanalov ob veliki

zasedenosti omrežja.

Ko vključimo GSM terminal s pomočjo SIM kartice v GSM omrežje, se prične

inicializacijski del procesa. Mobilna postaja začne najprej pregledovati, kateri

komunikacijski kanali so na voljo. Navadno najde nosilne kanale z močnim signalom na

različnih frekvencah. Vsakega od njih preišče ter nato izbere radijski vmesnik - Um med

mobilno postajo in BTS-om.

5.5 Zmogljivost celičnega sistema

Zmogljivost celičnega sistema lahko izmerimo na več načinov. Teoretični modeli za

določanje zmogljivosti so precej odvisni od prometnega modela, ki je predpogoj za takšen

izračun. Za stabilno delovanje GSM omrežja je zelo važna pravilna izbira zmogljivosti

procesorja. Procesorska moč je zelo važna v ključnih elementih omrežja. Zelo pomembni

elementi GSM omrežja so sklop centrale in registra gostujočih mobilnih postaj -

MSC/VLR ter nadzornik baznih postaj - BSC. Če je število naročnikov na določenem

področju podvojeno, je obremenitev procesorja več kot dvakrat večja. Naraščanje prometa

na celico narekuje namreč manjše celice. To pa poveča število HO na klic in dodatno

obremenjuje ravno procesor v BSC.


31

GSM sistem slovenskega operaterja Mobitel temelji na Ericssonovem CME 20 sistemu.

BSC je v omenjenem sistemu opremljen s procesorjem APZ 21211, ki lahko upravlja s

1020 TRU (Transceiver Unit) enotami in več kot 2500 Erlangi prometa. To pomeni, da je

lahko sočasno aktivnih 2500 naročnikov.

Pri širitvi sistema se določi tudi potrebno povečanje zmogljivosti posameznih modulov

omrežja, da ne bi prišlo do preobremenitev sistema. V ta namen uporabimo prometno

statistiko, pridobljeno med obratovanja sistema in dokumentacijo proizvajalca o

posameznih modulih sistema.

5.6 Izračun prometa

Izračun prometa pove, koliko lokacij in celic potrebujemo za realizacijo postavljenih

ciljev. Za tak izračun potrebujemo vhodna podatka o številu frekvenc na celico, ki so na

voljo in GoS (Grade of Service), ki je definiran kot dovoljen odstotek neuspelih poizkusov

vzpostavitve zveze. Običajne vrednosti pri mobilnih telefonskih sistemih so med 2 % in

5 %.

Promet na naročnika se izračuna prek Erlangove formule:

(5.4)

kjer je:

• n - število klicev na uro,

• T - povprečni čas trajanja zveze [s],

• A - ponujeni promet od naročnika v sistemu.

[ ],ErlangE3600

TnA =⋅

=


32

6 OPIS TELEMETRIČNEGA SISTEMA Z MOBILNIM TELEFONOM

6.1 Zasnova naprave

Naprava temelji na osem-bitnem Atmelovem mikrokrmilniku AT89C4051. Nanj sta

priključeni tipali temperature in tlaka. Tipalo temperature je z mikrokrmilnikom povezana

preko 1-wire vodila. Tipalo tlaka je z mikrokrmilnikom povezana preko 12-bitnega

analogno-digitalnega pretvornika. Na mikrokrmilnik je priključen tudi LCD prikazovalnik.

LCD prikazovalnik omogoča pregled izvajanja glavnih programskih rutin, vpisanih v

pomnilnik. Prav tako na LCD prikazovalniku izpisujemo trenutno vrednost temperature in

tlaka.

S pomočjo zaporednega vodila je na mikrokrmilnik priključen GSM terminal, preko

katerega mikrokrmilnik prejema in pošilja SMS sporočila. Mikrokrmilnik v določenih

časovnih zaporedjih preverja SMS sporočila. V primeru prejetega SMS sporočila,

mikrokrmilnik v pomnilnik shrani telefonsko številko in vsebino SMS sporočila.

Mikrokrmilnik primerja vsebino sporočila s ključnimi besedami. Če se sporočilo ujema s

ključno besedo izvrši operacijo pošiljanja SMS sporočila. Vsebina poslanega SMS

sporočila je odvisna od ključne besede. Če se sporočilo ne ujema s ključno besedo,

mikrokrmilnik izbriše SMS sporočilo in telefonsko številko, ter ponovi postopek branja

SMS sporočila.

Na napravi je potrebno zagotoviti konstanten vir napajanja. Za zagotavljanje konstantne

napetosti smo uporabili stabilni vir LP2950 od podjetja National.

Naprava je zasnovana tako, da ima možnost priklopa različnih vrst tipal. Na napravo je

možno priključiti tudi različne vrste porabnikov, ki jih lahko krmilimo s pomočjo različnih

tranzistorjev ali relejev. Ker je glavni del naprave mikrokrmilnik v katerem je vpisan

program po katerem naprave deluje, pomeni vsaka nadgradnja naprave tudi sprememba

glavnega programa.


33

Prikaz zasnove naprave

Slika 6.1 : Blokovna shema naprave

AT8

9C40

51

TEMPERATURA

TLAK LCD

NAPAJANJE

A/D

RESET

PROSTO

GSM MODUL

UPORABNIK


34

6.2 Opis delovanja naprave

Ob priklopu naprave na napajanje, program v mikrokrmilniku najprej določi vhode in

izhode, konfigurira LCD prikazovalnik ter izvede inicializacijske ukaze za GSM.

Mikrokrmilnik v naslednjem koraku izvede podprogram meritve temperature. Izmerjeno

temperaturo prikaže na LCD prikazovalniku. Po temperaturi mikrokrmilnik izmeri tlak.

Tlak prikaže v drugi vrstici LCD prikazovalnika. V tretjem koraku mikrokrmilnik preveri

povezavo z GSM modulom in preveri ali je na kartici kakšno novo SMS sporočilo.

V primeru, da na kartici ni nobenega novega sporočila mikrokrmilnik ponovi vse operacije

od meritve temperature naprej.

V primeru, da je mikrokrmilnik na SIM kartici zaznal novo SMS sporočilo, mikrokrmilnik

izvede operacijo dešifriranja SMS sporočila. V pomnilnik se shranita dve pomembni

informaciji. Prva pomembna informacija je telefonska številka, druga pomembna

informacija pa je vsebina SMS sporočila. Ko ima mikrokrmilnik obe spremenljivki

shranjeni izvede operacijo brisanja polja SMS na SIM kartici. Na takšen način zagotovi

prosta mesta za nova sporočila.

V naslednjem koraku mikrokrmilnik vsebino SMS sporočila primerja s ključnimi

besedami. Ključne besede so besede, ki smo jih mi predhodno določili kot besede v

pomnilniku, na podlagi katerih se bodo izvršile določene operacije. V našem primeru

imamo tri ključne besede. V primeru da začetek SMS sporočila vsebuje ključno besedo

TLAK, mikrokontroler izvede pošiljanje SMS sporočila, z vrednostjo izmerjenega tlaka, na

shranjeno telefonsko številko. V primeru da začetek SMS sporočila vsebuje ključno besedo

TEMP, mikrokontroler izvede pošiljanje SMS sporočila, z vrednostjo izmerjene

temperature, na shranjeno telefonsko številko. V primeru da začetek SMS sporočila

vsebuje ključno besedo T?, mikrokontroler izvede pošiljanje SMS sporočila, z vrednostjo

izmerjenega tlaka in temperature, na shranjeno telefonsko številko. V primeru pošiljanja

SMS sporočila, na LCD prikazovalniku izpišemo telefonsko številko prejemnika in

vsebino SMS sporočila. Po končanem pošiljanju SMS sporočila se program vrne na

meritev temperature in postopek se ponovi.

V primeru da začetek SMS sporočila ne vsebuje ključne besede se program vrne na

meritev temperature in postopek se ponovi.


35

6.3 Električna shema naprave

Slika 6.2: Električna shema naprave


36

6.4 Priključne sponke in konektorji

Vhodni in izhodni sponki napajalnega dela vezja

S pomočjo napajalnega dela zagotovimo konstantno napetost na celotnem vezju.

Slika 6.3: Napajalni del naprave

Tabela 6.1: Razpored priključkov na konektorju JP1

Pin vh/izh Funkcija Opis1 vh GND Masa napajanja2 vh VCC Napajalna napetost

Tabela 6.2: Razpored priključkov LP2950

Pin vh/izh Funkcija Opis1 vh INPUT Vhodna napetost2 vh GND Masa3 izh OUTPUT Izhodna napetost


37

LCD prikazovalnik

LCD prikazovalnik priključimo na mikrokrmilnik neposredno po klasični metodi

priključevanja LCD prikazovalnikov.

Slika 6.4: Priklop LCD prikazovalnika

Tabela 6.2: Razpored priključkov LCD prikazovalnika

Pin vh/izh Funkcija Opis1 vh VCC Vhodna napetost2 vh GND Masa3 vh Vo Nastavitev kontrasta4 vh RS Komunikacijska linija5 vh R/W Komunikacijska linija6 vh E Komunikacijska linija7 vh DBO Podatkovna linija8 vh DB1 Podatkovna linija9 vh DB2 Podatkovna linija

10 vh DB3 Podatkovna linija11 vh DB4 Podatkovna linija12 vh DB5 Podatkovna linija13 vh DB6 Podatkovna linija14 vh DB7 Podatkovna linija


38

RSR232 komunikacija z GSM modulom

RS232 komunikacijo uporabljamo za povezavo mikrokrmilnika in GSM modula.

Slika 6.5: Konektor J5 in MAX232

Tabela 6.3: Razpored priključkov na konektorju JP1

Pin vh/izh Funkcija Opis2 vh TXD Podatki poslani iz GSM-a3 izh RXD Podatki poslani v GSM5 vh/izh GND Masa napajanja


39

Tipalo temperature

Tipalo temperature priključimo neposredno na mikrokrmilnik. Tipalo temperature deluje

na 1-wire tehnologiji, kar pomeni da zadošča za komunikacijo zgolj ena povezovalna

linija. Na to linijo bi lahko priključili tudi več tipal.

Slika 6.6: Priklop temperaturnega tipala

Tabela 6.4: Razpored priključkov na tipalu temperature

Pin vh/izh Funkcija Opis1 vh GND Masa napajanja2 vh/izh DQ Podatkovna linija3 vh VCC Napajanje


40

Tipalo tlaka

Tipalo tlaka priključimo na mikrokrmilnik preko A/D pretvornika. Tipalo na svojem

izhodu daje vrednost napetosti v odvisnosti od tlaka. Vrednost je v analogni obliki in je

žal ne moremo direktno pripeljati na vhod mikrokrmilnika.

Slika 6.7: Priklop tipala tlaka

Tabela 6.5: Razpored priključkov na tipalu tlaka

Pin vh/izh Funkcija Opis1 Prosto2 vh VCC Napajanje3 vh GND Masa napajanja4 vh/izh Vout Podatkovna linija5 Prosto6 Prosto7 Prosto8 Prosto


41

A/D pretvornik

A/D pretvornik priključimo neposredno na mikrokrmilnik. Analogno-digitalni pretvornik

nam analogno vrednost napetosti pretvori v digitalno obliko. Digitalni zapis je velikosti

12-bitov.

Slika 6.8: Priklop A/D pretvornika

Tabela 6.6: Razpored priključkov na A/D pretvorniku

Pin vh/izh Funkcija Opis1 vh VA Napajanje2 vh GND Masa napajanja3 vh VIN Vhod signala4 vh/izh SC Komunikacijska linija5 vh/izh SD Komunikacijska linija6 vh/izh CS Komunikacijska linija


42

Mikrokrmilnik s priključnimi sponkami

Na mikrokrmilnik je poleg tipal, LCD prikazovalnika, GSM modula in RESET vezja

priključeno tudi vezje zunanje ure.

Slika 6.9: Mikrokrmilnik z vsemi vhodi

Tabela 6.7: Razpored priključkov LCD prikazovalnika

Pin vh/izh Funkcija Opis1 vh RES Reset2 vh/izh P3.0 Priklop RS2323 vh/izh P3.1 Priklop RS2324 vh Xtal Priklop ure5 vh Xtal Priklop ure6 vh/izh P3.2 Prikop A/D pretvornika7 vh/izh P3.3 Prosto8 vh/izh P3.4 Prikop A/D pretvornika9 vh/izh P3.5 Priklop tipala temperature

10 vh GND Masa napajanja11 vh/izh P3.7 Prikop A/D pretvornika

12,13 vh/izh P1.0, P1.1 Prosto 14 vh/izh P1.2 Priklop LCD prikazovalnika15 vh/izh P1.3 Priklop LCD prikazovalnika16 vh/izh P1.4 Priklop LCD prikazovalnika17 vh/izh P1.5 Priklop LCD prikazovalnika18 vh/izh P1.6 Priklop LCD prikazovalnika19 vh/izh P1.7 Priklop LCD prikazovalnika20 vh VCC Napajanje


43

6.5 Mikrokrmilnik

Mikrokrmilniki so v sodobni elektroniki tako rekoč nepogrešljivi gradniki elektronskih

digitalnih sklopov. Uporabljamo jih skoraj v vseh panogah elektronike. Mikrokrmilnik

definiramo kot mikroračunalnik, ki je zgrajen kot eno integrirano vezje in deluje

samostojno. Mikroračunalnik sestavljajo mikroprocesor, pomnilnik in V/I enote.

Mikroprocesor je centralna procesna enota (CPE) računalnika, zgrajena kot eno

integrirano vezje in je torej sestavni del mikroračunalnika. Predpona "mikro" označuje,

da vsebuje tak računalnik kot centralno procesno enoto mikroprocesor. Čeprav je

mikrokrmilnik v osnovi računalnik, ga obravnavamo kot gradnik digitalnih sistemov. V

tem pogledu predstavlja le integrirano vezje s svojimi vhodi in izhodi. Mikrokrmilniku

določimo delovanje programsko. Če želimo torej spremeniti delovanje naprave, v katero

je vgrajen mikrokrmilnik, ga le preprogramiramo, medtem ko vezja ni potrebno fizično

spreminjati. To je tudi glavni vzrok za široko uporabo mikrokrmilnikov, pa tudi njihova

cena je glede na uporabo in zmogljivost relativno nizka.

V splošnem lahko mikrokrmilnike razdelimo na 4-bitne, 8-bitne, 16-bitne, 32-bitne in 64

- bitne. Število bitov je tolikšno, kolikor jih lahko naenkrat obdeluje centralna procesna

enota mikrokrmilnika. Temu pravimo tudi dolžina besede, ki jo obdeluje CPE. Praviloma

velja, da so mikrokrmilniki, ki hkrati obdelujejo večje število bitov, zmogljivejši,

kompleksnejši in pa tudi dražji. V našem sistemu smo uporabili 8-bitni mikrokrmilnik. Ti

krmilniki so še posebej primerni za maloserijske in prototipne izdelke. Programska

orodja zanje so zelo razširjena in jih je mogoče dobiti po nizki ceni ali celo zastonj.

6.5.1 Zgradba in delovanje mikrokrmilnika

Osnovni princip delovanja mikrokrmilnika je skupen vsem družinam mikrokrmilnikov.

Delovanje mikrokrmilnikov in večine računalnikov, ki jih danes uporabljamo, temelji na

tako imenovanem Vonneumannovem računalniškem modelu. Leta 1946 so avtorji A.W.

Burks, H.H. Goldstine in J. Von Neumann objavili delo, v katerem je podrobno opisan

princip delovanja računalnika.


44

Kot izhodišče so postavili naslednje zahteve :

• računalnik mora biti obče uporaben in mora izvajati program popolnoma

samodejno,

• ukazi naj bodo shranjeni v enaki obliki v isti enoti računalnika (pomnilniku) kot

podatki, ki jih obdeluje,

• računalnik mora vsebovati še centralno procesno enoto (CPE) in vhodno-izhodno

enoto. CPE naj bo zgrajena iz aritmetično logične enote, ki bo izvajala operacije

računanja, in krmilne enote, ki bo razumela ukaze iz pomnilnika in upravljala z

delovanjem računalnika. Prek vhodno-izhodne enote bo računalnik izmenjeval

podatke z okolico in s človekom,

• Delovanje računalnika naj bo zasnovano na osnovi dvojiškega številskega

sestava. To je potrebno zaradi električne realizacije računalnika. Električna vezja

najlaže ločijo med dvema diskretnima vrednostima napetostnega nivoja. Če bi

imeli več diskretnih vrednosti, bi postal takšen računalnik nezanesljiv in preveč

zapleten. Drugi razlog je logične narave. Računalnik bo namenjen tudi reševanju

logičnih problemov, ki jih opisujemo z dvema stanjema, z da in ne.

Realizacija, ki so jo opisali v navedenem delu, je imela velik vpliv na gradnjo

računalnikov. Takšen računalnik je dobil ime po Von Neumannu, ker je predlagal, da naj

bo v pomnilniku poleg podatkov shranjen tudi program, ki ga bo računalnik izvajal.

Zamisel o programu, shranjenem v računalniku, je bila odločilna, da se je omenjeni princip

gradnje računalnikov tako uveljavil.

6.5.2 Von Neumannov računalniški model

Matematik John von Neumann je v času prvih elektronskih računalnikov razvil teoretični

model računalnika. Opisal je glavne, nujno potrebne gradnike in njihove funkcije.

Računalniki so se hitro razvijali in spreminjali, vendar pa ima večina današnjih

računalnikov še vedno zgradbo, ki ustreza Von Neumannovemu modelu. Osnovni deli

računalnika so centralno procesna enota, glavni pomnilnik ter vhodne in izhodne enote.

Izraz računalnik se večkrat uporablja za naprave, ki ne ustrezajo Von Neumannovem

računalniškemu modelu. Na primer kalkulator, ki ima vgrajene razne matematične

operacije, nima pa pomnilnika za vpis programov.


45

Slika 6.10: Von Neumannov model

6.5.3 Centralno procesna enota - CPE

Centralno procesno enoto sestavljajo trije glavni deli:

• ALE (aritmetično logična enota) je sestavljena iz logičnih vezij (logična vrata,

seštevalniki ...), ki opravljajo aritmetične in logične operacije,

• registri so posebni pomnilniški predali, kamor se shranijo informacije. Dolgi so

lahko 8, 16, 32, 64 ali več pomnilniških celic. Na primer pri seštevanju dveh števil

procesor prebere prvo število, ga shrani v register, prebere drugo število in ga

prišteje,

• krmilna enota upravlja delovanje CPE. Sprejema ukaze, jih tolmači in izvršuje.

CPE (procesor) jemlje iz glavnega pomnilnika ukaze in podatke ter ukaze izvršuje.

Centralna se imenuje zato, ker ima lahko računalnik še več drugih procesnih enot.

Ukazi se izvršujejo v dveh korakih:

• branje ukaza iz pomnilnika,

• izvrševanje ukaza.

Iz pomnilnika se prebere ukaz, na katerega kaže programski števec (PC). Programski

števec je register centralne procesne enote, ki vsebuje naslov pomnilniške lokacije, na

kateri je vpisan naslednji ukaz.

Pri izvrševanju ukaza se zraven ukaza nahaja tudi podatek o tem, kje se nahajajo podatki,

na katere se ukaz nanaša. Ko se ukaz izvrši, se programski števec poveča za ena, torej

vsebuje naslov naslednjega ukaza, razen v primeru programskih skokov ali v primeru

prekinitev.


46

6.5.4 Glavni pomnilnik

Glavni pomnilnik predstavlja pomnilnik, ki ga procesor neposredno naslavlja. Sestavljen je

iz pomnilniških besed, vsaka pomnilniška beseda ima svoj naslov. Pomnilniške besede so

sestavljene iz pomnilniških celic. Vsaka celica shrani 1 bit informacije. Pomnilniške

besede so sestavljene iz 8, 16, 32, 64 ali več pomnilniških celic. Naslovni prostor

predstavlja število različnih besed (lokacij), ki jih CPE lahko naslovi.

Slika 6.11: Organizacija pomnilnika Glavni pomnilnik je izveden v polprevodniški tehnologiji. Poleg glavnega pomnilnika ima

računalnik ponavadi še pomožne. Primer takšnega pomnilnika je disk.

Vrste polprevodniških pomnilnikov:

• RAM - Random Access Memory,

• ROM - Read Only Memory,

• PROM - Programmable Read Only Memory,

• EPROM - Erasable Programmable Read Only Memory in

• EEPROM - Electricaly Erasable Programmable Read Only Memory.


47

6.6 Atmelov mikrokrmilnik AT89C4051

Tehnične značilnosti 8-bitnega mikrokrmilnika AT89C4051 [10]:

• kompatibilen z MCS51 produkti,

• 4K Bytes reprogramljivega Flash spomina,

• možnost 10.000 kratnega vpisa in izbrisa v pomnilnik,

• 2,7 V do 6 V obratovalne napetosti,

• dvonivojski Proram Memmory Lock,

• 128 zlogov internega Ram pomnilnika,

• 15 programabilnih I/O linij,

• dva 16-bitna časovnika/števca,

• programabilni zaporedni UART vmesnik,

• možnost direktnega priklopa LED diod,

• analogni primerjalnik,

• možnost delovanja v varčnem načinu,

• 35 programabilnih I/O linij,

• frekvenčno območje delovanja 0 – 16 MHz.

Mikrokrmilnik AT89C4051 predstavlja glavni del naprave. Njegove naloge so dekodiranje

SMS sporočil, zajemanje, analiza in pošiljanje podatkov uporabniku prek SMS sporočil, ki

jih izvaja v skladu s programom, vpisanim v hitri pomnilnik.

Za delovanje potrebuje le stabilizirano napajalno napetost, kristalni oscilator in nekaj

dodatnih zunanjih elementov. Podroben opis mikrokrmilnika je podan v prilogi.


48

Slika 6.12: Blokovna shema mikrokrmilnika AT89C4051


49

6.7 Tipalo temperature DS1820

Za tipalo temperature smo uporabili digitalno tipalo DS1820 [11], od podjetja Dallas

Semiconductors. Osnovna lastnost tipala je ta, da sta merjenje in pretvorba temperature v

digitalno obliko združeni v enem integriranem vezju. Zelo pomembna lastnost je tudi ta, da

tipalo deluje na 1-wire tehnologiji. Ta tehnologija nam omogoča,da lahko priključimo več

tipal na eno vodilo. Za delovanje na skupnem vodilu potrebuje vsak senzor svoj naslov. Ta

naslov je zapisan v obliki 13-bitne CRC kode, ki je identična vsakemu senzorju posebej.

Naša naloga je ,da programsko uredimo branje naslova. Ko imamo naslov prebran in

potrjen lahko steče komunikacija med mikrokrmilnikom in tipalom.

Tehnične značilnosti tipala DS1820:

• 1-wire vodilo,

• merjenje temperature od -55 ºC do+125 ºC na 0,5 ºC natančno,

• ne potrebuje zunanjih komponent,

• lahko ga napajamo preko podatkovne linije,

• temperatura je zapisana v 9-bitni digitalni obliki,

• pretvorba temperature v digitalno obliko se izvrši v 200μs,

• nastavitev breznapajalne alarmne temperature,

• možnost uporabe kot temperaturni regulator.


50

Slika 6.12: Blokovna shema tipala DS1820

Slika 6.12: Shema priklopa tipala na mikrokrmilnik


51

6.8 Tipalo tlaka MPXS4100A

Za tipalo tlaka smo uporabili tipalo MPXS4100A [12], od podjetja Motorola. Osnovna

lastnost tipala je ta, da meri absolutni tlak v območju od 20 kPa do 105 kPa. Tipalo na

svojem izhodu daje analogno napetost v odvisnosti od tlaka v območju od 0,3 V do 4,9 V.

Vrednost tlaka je potrebno v nadaljevanju obdelave preračunati. Razmerje med tlakom in

napetostjo prikazuje naslednja slika.

Slika 6.13: Razmerje med napetostjo in tlakom

Razmerje med napetostjo in tlakom podaja naslednja enačba:

)01059.0.()1518.001059.0( ssout VFaktorTempesekTlacniPogrPVV ∗∗∗±−∗= . (6.1)

Naslednji sliki predstavljata spremenljivki TlacniPogresek in Temp.Faktor:


52

Slika 6.14: Temp.Faktor

Slika 6.15: TlacniPogresek

Obe napaki preprosto preberemo iz slik in jih vstavimo v enačbo.

Tehnične značilnosti tipala MPXS4100A:

• 1,8 % napaka na območju od -0 ºC do +80 ºC,

• SMD ohišje,

• temperaturno območje delovanja od -40 ºC do +125 ºC,

• merilno območje tlaka od 20 kPa do 105 kPa,

• izhodna napetost v območju od 0,3 V do 4,9 V.


53

6.9 Analogno-digitalni pretvornik ADC 121S101

Ker dobimo na izhodu tipala tlaka analogno vrednost napetosti od 0,3 V do 4,9 V, moramo

to napetost pred mikrokrmilnikom spremeniti v digitalno obliko. V našem primeru smo

uporabili analogno-digitalni pretvornik ADC121S101 [14], podjtetja National

Semiconductor.

Tehnične značilnosti analogno-digitalnega pretvornika ADC121S101:

• 12-bitna A/D pretvorba,

• LLP ohišje,

• temperaturno območje delovanja od -40 ºC do +125 ºC,

• SPI microwire vodilo,

• napajalna napetost v območju od 2,7 V do 5,25 V.

Analogno-digitalni pretvornik komunicira z mikrokrmilnikom preko SPI vodila. SPI vodilo

potrebuje za komunikacijo tri signalne linije.

Naslednja slika prikazuje protokol komuniciranja preko SPI vodila.

Slika 6.16: Prikaz SPI komunikacije


54

6.10 Izbira in priklop GSM terminala

Ker je naprava zasnovana tako, da se vrši nadzor temperature in tlaka s pomočjo SMS

sporočil, je bilo potrebno izbrati primeren GSM terminal. Na tržišču obstajajo razni

industrijski GSM moduli, ki so namenjeni prav za takšne aplikacije, vendar pa so dokaj

dragi. Takšen GSM modul lahko nadomestimo s klasičnim GSM telefonom, ki se izkaže

kot zelo dobra alternativa. Zadoščati mora le dvema pogojema. Prvi pogoj je, da GSM

terminal za zaporedno komunikacijo ne potrebuje kakšnega posebnega programa. Drugi

pogoj je, da GSM omogoča pri zaporedni komunikaciji izmenjavo podatkov o kratkih SMS

sporočilih. Glede na omenjene zahteve pridejo v poštev večina Ericssonovih terminalov od

modela T10 naprej in pa večina novejših Siemensovih ter drugih modelov. Čeprav je izbira

terminalov na prvi pogled dokaj pestra, se lahko prvi zapleti začnejo prav tu. Natančne

podatke o tem, kateri tip GSM-a v resnici ustreza vsem zahtevam, je dejansko težko

izbrskati. Najbolje je določene terminale, do katerih imamo dostop, kar praktično

preizkusiti, s pomočjo osebnega računalnika in RS232 vmesnika. Po uvodnih testiranjih

smo se odločili za Siemensov modul MC35i, ki je sicer malo dražji, vendar zelo zanesljiv.

6.11 GSM modul CM35i

CM35i je nadzorno krmilni modul, ki omogoča nadzor in krmiljenje prek SMS sporočil

[4]. Odlikuje ga visoka zanesljivost, preprosta uporaba in nizka cena.

Uporaba:

- večnamenska naprava, - prodajni avtomati,

- hitro upravljanje, - nadzor prometa,

- prenos govora, podatkov, - telemetrija,

- SMS, - daljinsko spremljanje,

- telefonska uporaba, - daljinsko upravljanje ...

- varnostni sistemi,


55

Tehnični podatki:

1. dual band (EGSM900 in GSM1800),

2. izhodna moč:

- razred 4 (2 W) pri EGSM900,

- razred 1 (1 W) pri GSM1800,

3. napajanje od 8 V do 30 V,

4. dimenzije: 65 * 74 * 33 mm,

5. teža: 130g.

Slika 6.17: GSM modul MC35i


56

6.12 Komunikacija naprave z GSM modulom

GSM komunicira neposredno z mikrokrmilnikom prek RS232 zaporednega vmesnika [8].

Potrebno je le prilagoditi njune logične nivoje. To smo storili z uporabo namenskega

integriranega vezja MAX232 s 5 V napajanjem, na katerega je potrebno za pravilno

delovanje priključiti le še štiri elektrolitske kondenzatorje. Komunikacija naprave z GSM

terminalom poteka prek zaporednega vmesnika, s pomočjo AT ukazov, podobno kot pri

klasičnih računalniških modemih. Ukazi pri GSM-ih se začnejo z AT+C [4]. Preden

priključimo GSM na napravo, ga lahko s pomočjo omenjenih ukazov preizkusimo, če je

primeren za samodejno izmenjavo kratkih sporočil. GSM priključimo na osebni računalnik

prek posebnega zaporednega kabla, ki vsebuje zaporedni vmesnik, za izravnavo logičnih

nivojev. AT ukaze za upravljanje s SMS sporočili mu pošljemo prek ustreznega

terminalskega programa. Zadošča že preprosti HyperTerminal, ki je sestavni del Windows

okolja. Za uspešno komunikacijo je potrebno nastaviti le še nekaj najnujnejših parametrov.

Slika 6.18: Nastavitev parametrov za komunikacijo PC-ja s Siemens-ovim modulom

MC35i


57

Nastavitev komunikacijskih parametrov je lahko za različne tipe GSM-mov različna.

Hitrost komunikacije je z ustreznim AT ukazom mogoče spreminjati. Nekateri AT ukazi so

privzeti standardni AT ukazi in so enaki kot pri žičnem klicnem modemu. Nekaj AT

ukazov je dodatno opredeljenih znotraj GSM standardizacije, ostali pa so specifični glede

na proizvajalca naprave. Ko povežemo GSM z računalnikom in nastavimo potrebne

parametre v programu, lahko preizkusimo komunikacijo. Če posredujemo po serijskem

vodilu preprosti ukaz AT, mora GSM vrniti sporočilo OK. Če se to zgodi pomeni, da je

komunikacija uspela. Zdaj lahko preizkusimo še druge ukaze, ki jih bomo potrebovali za

komunikacijo z nadzornim sistemom.

6.12.1 Zaporedni vmesnik

Slabost paralelnega načina komuniciranja je v velikem številu žic, ki so potrebne za

vzporedni prenos podatkov. To lahko povzroča težave, še posebej v primeru, če imamo

hiter prenos in fizično dolge linije. Rešitev tega problema je transformacija bajta v bitno

zaporedje, ki ga lahko prenašamo po eni žici. Tako potrebujemo le žici za oddajanje in žico

za sprejemanje podatkov ter žico za skupno maso. Take linije so lahko zelo dolge. Velika

prednost zaporednega prenosa podatkov je tudi v tem, da je dobro standardiziran in ga

podpira velika večina računalniških sistemov, vključno z osebnimi računalniki, delovnimi

postajami, mikroračunalniki, nekaterimi mikrokrmilniki in drugimi podobnimi napravami

za prenos podatkov. V večini primerov je zaporedni prenos podatkov počasnejši od

paralelnega. Na primer pri osebnem računalniku, kjer je paralelni prenos približno

desetkrat hitrejši od zaporednega. Po drugi strani pa lahko dosežemo s zaporednim

prenosom zelo visoke hitrosti. Med oddajnikom in sprejemnikom lahko uporabimo

posebna vezja, ki zagotavljajo izredno visoke prenosne hitrosti. Taka vezja so na primer

omrežne kartice. Zaporedni vmesnik je prisoten v osebnem računalniku od samega

nastanka. Vsa serijska vrata v osebnem računalniku so asinhrona in krmiljena prek UART

vmesnika. V zadnjem času se na področju osebnih računalnikov uveljavljajo še drugi

zaporedni vmesniki, kot so USB, firewire in I2C. Ti vmesniki imajo določene prednosti

pred RS232 vezji, vendar je klasični RS232 vmesnik še vedno standardna oprema vseh PC-

jev. Omogoča zanesljivo, poceni in enostavno povezovanje na velike razdalje tam, kjer

niso potrebne visoke hitrosti.


58

6.12.2 Zaporedni asinhroni protokol

Pri zaporednem prenosu sprejema sprejemnik podatke v obliki samih enic in ničel. Med

oddajno in sprejemno napravo mora obstajati protokol, ki natančno definira, kako si bosta

napravi pošiljali podatke. Sprejemnik in oddajnik morata imeti določene nastavitve enake,

zato da je komunikacija med njima sploh mogoča. Pomembno je, da imata nastavljene

enake parametre za:

• hitrost prenosa (bit/s),

• število prenesenih bitov informacije (5, 6, 7 in 8),

• pariteto,

• število stop bitov (1 ali 2).

Na začetku prenosa postavi oddajnik najprej prenosno linijo na nizek nivo. S tem pove

sprejemni napravi, da je začela s prenosom. Začetni prehod na nizek nivo označujemo s

start bitom. Trajanje start bita je točno določeno s hitrostjo prenosa podatkov, ki je enaka

za vse bite, ki se prenašajo. Prenos se zaključi s stop bitom. Ta je vedno na visokem

logičnem nivoju. Linija po stop bitu ostane na visokem logičnem nivoju, dokler oddajnik

spet ne pošlje start bita. Informacija se prenaša v bitnem okvirju. Celotno število bitov,

vključno s start in stop bitom, se imenuje okvir (frame). Oddajnik in sprejemnik se

sinhronizirata s pomočjo start bita. Start bitu sledijo podatki in na koncu je dodan še stop

bit. Asinhroni prenos pomeni prenos brez urne sinhronizacije oziroma uskladitve. To

pomeni, da sta oddajnik in sprejemnik sinhronizirana s pomočjo okvirjev.

6.12.3 Hitrost prenosa podatkov

Hitrost prenosa podatkov pri zaporednih komunikacijah označujemo z biti na sekundo. Za

določevanje hitrosti prenosa se uporablja tudi termin baud. Baud in bps ne predstavljata

nujno iste hitrosti prenosa. Baud namreč označuje frekvenco, s katero se električni impulzi

prenašajo po komunikacijskem kanalu. Pri modemih se lahko zgodi, da se z eno

spremembo električnega signala prenese več bitov podatkov. Če se omejimo samo na

električne linije, potem velja, da označujeta baud in bps isto hitrost prenosa podatkov.


59

Slika 6.19: 9-pinski vtič za RS232 povezavo

Tabela 6.8: Opis pinov 9-pinskega zaporednega vtiča

Št. pina Opis1 CD - Carrier Detect, (N.C.)2 RXD - Receive Data, sprejeti podatki3 TXD - Transmit Data, poslani podatki4 DTR - Data Terminal Ready, DTE pripravljen, (N.C.)5 SG - Signal Ground, Ozemljitev6 DSR - Data Set Ready, DCE pripravljen, (N.C.)7 CTS - Clear To Send, linija aktivna, (N.C.)8 RTS, pripravljen za izmenjavo podatkov, (N.C.)9 RI - Ring Indicator, detektor zvonjenja (N.C.)

6.12.4 Načini asinhronega zaporednega prenosa podatkov

Enosmerni prenos podatkov (simplex) uporabljamo za prenos samo v eno smer. Take

enosmerne linije so lahko oddajne ali sprejemne. Na ta način je možen prenos podatkov iz

računalnika k tiskalniku.

Enostranski dvosmerni prenos podatkov (half duplex) uporabljamo za prenos v obe smeri,

vendar ne hkrati. Obe napravi, ki sodelujeta pri takem načinu prenosa, morata imeti vezji,

ki omogočata preklop med sprejemom in oddajo podatkov.

Dvostranski dvosmerni prenos podatkov (full duplex) uporabljamo za sprejemanje in

oddajanje v obe smeri sočasno. Tak primer je telefonska linija.

6.12.5 RS232C standard

RS232 standard je bil sprejet leta 1969. Sprejel ga je EIA (Electronics Industry

Association). Novejša verzija tega standarda je RS232C standard. Ta standard določa


60

komuniciranje med DTE (Data Terminal Equipment) in DCE (Data Circuit-Terminating

Equipment) pri nizkih hitrostih zaporednega prenosa. Pri tem ni važno, katera naprava je

oddajna in katera je sprejemna. Standard ne predvideva povezave med dvema napravama

tipa DTE. To je sicer možno, le povezovalni kabel moramo prirediti. Tip naprave pove,

kateri signali so vhodni in kateri izhodni na priključku naprave. Vsa imena signalov se

nanašajo na DTE opremo. Tako je na primer TD (Transmit Data) izhodni signal DTE in

vhodni DCE. RD (Recive Data) je vhodni na DTE in izhodni na DCE. Pri osebnem

računalniku je zaporedni priključek običajno tipa DTE. RS232 standard je namenjen

serijskemu načinu prenosa podatkov na kratkih razdaljah.

6.12.6 Signali

Za dvosmerno komunikacijo po RS232C standardu potrebujemo vsaj tri signale:

• TD (označuje se tudi TX ali TXD), prenaša signale od DTE v DCE,

• RD (tudi RX ali RXD), prenaša signale od DCE v DTE,

• SG (tudi GND ali SGND) predstavlja maso signala.

Ostali signali so namenjeni za nadzor prenosa in običajno sporočajo pripravljenost naprave

za prenos. Signali nastopajo v parih. Taki pari so na primer RTS/CTS in DTR/DSR.

Uporabo signalov določa standard. RTS/CTS sporočata pripravljenost naprave za prenos

podatkov. RTS pove, da želi DTE pošiljati podatke k DCE. V obratni smeri tega signala

nimamo na razpolago. To pomeni, da mora biti DTE vedno pripravljen na sprejem. RTS je

med normalnim delovanjem na visokem logičnem nivoju. Ko ima DTE naprava podatke

pripravljene za prenos, postavi RTS signal na nizek logični nivo in čaka odgovor od DCE

naprave, na CTS liniji. Po pričetku prenosa postavi DTE, signal RTS zopet na visok nivo.

Pri polnem dvosmernem ali enosmernem načinu prenosa tega signala ne potrebujemo.

CTS signalizira, da je DCE pripravljena na sprejem podatkov od DTE. Običajno je tudi

CTS na visokem logičnem nivoju. Ko DCE postavi CTS na nizek nivo, lahko DTE začne s

pošiljanjem podatkov. DTR/DSR par se uporablja za zagotavljanje informacij o stanju

telefonske ali druge linije, priključene na modem. Pri povezavi modema na komunikacijski

kanal, aktivira DTE signalno linijo DTR (Data Terminal Ready). Ko je modem (DCE)

priključen, postavi DSR na visok nivo. DSR je na nizkem nivoju, če modem ni priključen

na linijo, ali če je telefonska linija prekinjena.


61

DTE lahko postavi DTR kot odziv na RI (Ring Indikator) signal. Na ta način pove

modemu, naj odgovori na prihajajoči poziv. V nekaterih vezjih sta signala DTR in DSR

stalno na visokem nivoju in tako sporočata, da so naprave prisotne in pod napetostjo.

6.12.7 Napetosti logičnih nivojev

Logični nivoji so pri RS232 predstavljeni s pozitivnimi in negativnimi stanji, medtem ko

imamo pri TTL logiki le pozitivne napetostne nivoje od 0 V do 5 V. Negativna napetost

predstavlja logično "1", pozitivna pa logično "0".

Ker so lahko serijske povezovalne linije relativno dolge, so minimalne napetosti,

definirane pri sprejemniku, nižje od tistih, definiranih pri oddajniku. Napetost, ki je višja

od +3 V, predstavlja za sprejemnik logično ničlo, napetost nižja od –3 V pa predstavlja

logično enko. Pri oddajniku je minimalna napetost ±5 V. Maksimalna dovoljena napetost

je ±15 V. Pri osebnem računalniku znaša dovoljena napetost ±12 V. Sprejemniki so grajeni

tako, da lahko brez poškodb prenesejo napetosti do ±25 V.

6.12.8 Pretvorba logičnih nivojev med TTL in RS232

Če hočemo priključiti TTL ali CMOS vezje na RS232 vmesnik, moramo prilagoditi

logične nivoje. Zelo popularno je vezje MAX232, ki potrebuje za delovanje le enosmerno

napajalno napetost 5 V in štiri zunanje kondenzatorje. Pri kratkih polno dvosmernih

komunikacijah lahko komuniciramo z RS232 vmesnikom, s pomočjo 5 V logike, namesto

z RS232 nivoji.

6.12.9 Pariteta in napake pri prenosu

Pariteta je enostavna, vendar relativno neučinkovita zaščita pred napakami pri prenosu

podatkov. Pariteta se izračuna po določenem pravilu nad podatkovnimi biti na oddajni

strani. Ko sprejemnik sprejme bitno zaporedje, znova izračuna pariteto in ugotovi, če je

paritetni bit pravilno postavljen. Lahko se seveda zgodi, da pride do take napake, da je

izračun paritete nad pravilnimi in napačnimi biti enak. V tem primeru sprejemnik ne more

vedeti, da je sprejel napačne podatke. Ločimo pet načinov ugotavljanja paritete:

• brez paritete,

• liha pariteta,


62

• soda pariteta,

• "mark" - ena,

• "space" - nič.

Večina zaporednih prenosov se opravlja brez ugotavljanja paritete. Na ta način prihranimo

en bit, kar pomeni približno 10 % višjo hitrost prenosa. Četudi paritetni bit ne obstaja, se

na njegovem mestu nahaja stop bit, ki je vedno na visokem logičnem nivoju. Vezje

sprejemnika ugotavlja samo, ali je stop bit visok.

Podobno delujeta pariteti "mark"- ena in "space"- nič, ki na mestu paritetnega bita

zahtevata enko ali ničlo. Če je pariteta soda, sprejemno vezje ugotavlja, ali je skupna vsota

vseh enic in podatkovnih bitov, skupaj s paritetnim bitom, soda. Če je, potem je paritetni

bit ena, v obratnem primeru pa nič. Obstajajo še druge napake, ki jih lahko zazna vezje,

katero skrbi za prenos podatkov.

Te napake so lahko:

• napaka okvirja,

• prekinitvena napaka,

• napaka prekoračitve sprejemnega pomnilnika,

• napaka paritete.

Napaka okvirja je napaka, ki jo zazna sprejemno vezje, če ugotovi, da startni in stop bit

nista na pravih mestih. Pri prekinitveni napaki, sprejemnik zazna, da je sprejemna linija na

nizkem logičnem nivoju dlje časa, kot je potrebno za prenos osmih bitov. Do napake

prekoračitve sprejemnega pomnilnika pride pri prepočasnem sprejemanju podatkov iz

začasnega pomnilnika sprejemnika. Napaka pove, da so se zadnji prispeli podatki po vsej

verjetnosti prepisali prek podatkov, ki so prispeli pred njimi. Vzrok za napako paritete so

lahko različne nastavitve pri sprejemniku in oddajniku ali pa različne nastavitve

parametrov za ugotavljanja paritete. Te napake lahko nastanejo tudi pri prenosu podatkov,

na primer zaradi šuma na liniji.


63

6.13 Programski del naprave

Slika 6.20 : Diagram poteka programa

Začetek programa

Inicializacija

Meritev: temperature in tlaka

Sporočilo sprejeto

Shranjevanje telefonske številke. Shranjevanje sporočila.

Ključ beseda

Vrsta besede

Pošlji sms tlak in

temperatura

Pošlji sms teperatura

Pošlji sms tlak

DA

DA

NE

NE

TLAK

TEMP

T?

Preverjanje sms sporočila


64

6.13.1 Osnovni opis programa

Program zapisan v mikrokrmilniku je napisan v programskem okolju Bascom 8051.

Program je sestavljen iz več delov. Glavni del programa poleg inicializacije spremenljivk

vsebuje tudi štiri podprograme. Vsak izmed podprogramov izvršuje svojo točno dolečeno

nalogo.

Podprogrami se imenujejo:

• temperatura,

• tlak,

• sms,

• posiljanje.

Ob zagonu naprave in s tem ob zagonu mikrokrmilnika se začenja izvrševati tudi v

mikrokmilniku zapisan program. Pred tem, da program požene neskončno zanko se izvrši

inicializacija vseh spremenljivk. V tem delu imamo tudi nastavitve za LCD prikazovalnik,

SPI vodilo in 1-wire vodilo. V tem delu moramo tudi nastaviti hitrost zunanje ure in

hitrost, s katero komunicirata GSM modul in mikrokrmilnik.

Programske vrstice za deklaracijo ure in hitrosti komunikacije:

Na enak način smo deklarirali SPI vodilo in 1-wire vodilo:

Glavna zanka programa je sestavljena iz treh podprogramov. V tem delu se izvršijo

podprogrami za meritev temperature, podprogram za meritev tlaka in podprogram za

preverjanje SMS sporočil. Osnovna zanka programa je sestavljena na naslednji način:

$crystal = 11059200 $baud = 1200

Config 1wire = P3.5 Config Spi = Soft , Din = P3.2 , Dout = P3.3 , Cs = P3.7 , Clk = P3.4

Do Temperatura

Tlak Sms

Loop End


65

6.13.2 Nastavitev GSM modula

Ker naša naprava komunicira z zunanjim svetom preko SMS sporočil moramo določiti

vrsto spomina, kamor bo GSM shranjeval kratka sporočila. SMS-i se lahko shranjujejo na

telefon (oznaka ME) ali na SIM kartico (oznaka SM). Oznake so odvisne od proizvajalca

mobilne opreme. Ta del programa se lahko torej razlikuje glede na izbiro telefona. Odločili

smo se za shranjevanje sporočil na SIM kartico. Ukaz napisan v Bascomu je sledeč:

Print "AT+CPMS=" ; Chr(34) ; "SM" ; Chr(34)

Funkcija Chr(34) izpiše narekovaj, ki se uporablja v Bascomu za označevanje nizov. Nato

je potrebno določiti način zaznave novo prispelih SMS-ov. GSM lahko avtomatsko javi

mikrokrmilniku, če je prispelo novo sporočilo, ali pa lahko naprava sama preverja vsakih

nekaj sekund, če se je to zgodilo. Odločili smo se za slednji način, za katerega je potreben

inicializacijski ukaz:

Print "AT+CNMI=1,0,0,0,1"

Tudi ta ukaz se lahko razlikuje glede na izbiro GSM terminala.

Pin kodo vpišemo z ukazom:

Print "AT+CPIN=1234"

Namesto številke 1234 moramo vnesti seveda PIN kodo naše SIM kartice.

SMS sporočilo lahko pošiljamo in prejemamo v PDU ali TXT formatu. V našem primeru

bomo sporočila pošiljali in prejemali v TXT formatu. To potrdimo z naslednjim ukazom:

Print "AT+CMGF=1"

Nove nastavitve shranimo z ukazom:

Print "AT&W"

6.13.3 Branje SMS sporočila

Podprogram SMS vsakih nekaj milisekund preverja ali je prispelo kakšno novo sporočilo.

Ker smo v začetku programa nastavili, da bomo s sporočili komunicirali v TXT formatu je

sporočilo kodirano v TXT format. TXT format se od PDU formata razlikuje v tem, da

vsebuje številke in znake brez kodiranja. PDU format pa števila in znake zakodira s

pomočjo PDU kodne tabele.

Sporočila iz SIM kartice beremo s pomočjo ukaza:

Print "AT+CMGR=1"


66

Primer SMS sporočila v TXT formatu:

Sporočilo je sestavljeno iz :

• informacije o centru za pošiljanje SMS-ov,

• telefonske številke pošiljatelja,

• informacije o času pošiljanja,

• vsebine sporočila.

V primeru, da je polje prazno in da SMS sporočilo ni bilo prejeto je vsebina polja sledeča:

Naš program za preverjanje prispelih SMS sporočil deluje po naslednji zanki. Program

zaporedno preverja vse prejete ASCII znake. V primeru da je kombinacija prejetih znakov

0,,0 potem program ugotovi, da ni prispelo nobeno sporočilo in podprogram se zaključi.

Program za preverjanje ne prispelih SMS sporočil zgleda takole:

V primeru, da kombinacije 0,,0 ni bilo, program preverja število narekovajev. V sporočilu

za tretjim narekovajem se nahaja telefonska številka prejemnika. Program to številko

shrani v spremenljivko imenovano telefon in nadaljuje s štetjem narekovajev. Za šestim

narekovajem se nahaja vsebina sporočila. V našem primeru nas zanimajo samo trije tipi

sporočil. Te tri tipe sporočil imenujem ključne besede.

+CMGR: "REC UNREAD","+38651382912",,"10/03/30,13:20:44+08" Lep pozdrav

+CMGR: 0,,0

If Aa = H Then If Cc = 0 Then

Lcd " ni sms" Waitms 250 Return

End If End If


67

Ključne besede so:

• TLAK,

• TEMP,

• T?.

Dekodiranje ključnih besed iz sporočila izvedemo s pomočjo sledečega algoritma:

V primeru, da je vsebina sporočila TLAK, potem program vpiše v spremenljivko tlak

vrednost 1. V primeru da je vsebina sporočila TEMP, potem program v spremenljivko

temp vpiše vrednost 1. V primeru,da je vsebina sporočila T?, program v spremenljivki

temp in tlak vpiše vrednost 1. Spremenljivki temp in tlak potrebujemo pri podprogramu

pošiljanje, kajti od teh spremenljivk je odvisna vsebina poslanega SMS sporočila. Po

končani operaciji prejemanja sporočila program izbriše SMS sporočilo iz SIM kartice.

To izvedemo z ukazom:

Print "AT+CMGD=1"

Na takšen način zagotovimo prosto mesto za nova SMS sporočila. V primeru, da se

vsebina sporočila ne ujema s ključnimi besedami, podprogram sporočilo izriše. V

nadaljnjem koraku sledi zaključek podprograma in vrnitev v osnovni program.

If Izpis = 84 Then Izpis = Waitkey If Izpis = 76 Then

Izpis = Waitkey If Izpis = 65 Then

Izpis = Waitkey If Izpis = 75 Then

Vpis = 1 Tlak = 1

End If End If

End If End if


68

6.13.4 Pošiljanje SMS sporočila

Pošiljanje SMS sporočila je podprogram, ki se izvede samo v primeru prejetega sporočila z

eno izmed ključnih besed.

Sporočila pošiljamo z ukazom:

Print "AT+CMGS=" ; Chr(34) ; "+386" ; Telefon ; Chr(34) ; Chr(13)

V prvem delu pošiljanja nastavimo telefonsko številko na katero želimo poslati sporočilo:

Print " Tlak je " ; C1 ; "." ; C ; " mBar."

V drugem delu pošljemo vsebino sporočila.

Pošiljanje SMS sporočila končamo z znakom <Ctrl-z>, ki ima ASCII kodo 26.

6.13.5 Izračun temperature

Meritev in izračun temperature izvedemo s pomočjo podprograma Temperatura.

Podprogram je sestavljen iz ukazov za komuniciranje s tipalom DS1820. Ker to tipalo

deluje na 1-wire vodilu, smo to vodilo v začetku programa deklarirali. Glede na to, da

uporabljamo samo eno tipalo, ne potrebujemo naslavljanja tipala.

Uporabimo samo klasične ukaze za branje temperature:

Ker tipalo posreduje temperaturo v obliki 9-bitne digitalne kode, potrebujemo samo nekaj

programskih vrstic za preračun. Temperaturo shranimo v dveh spremenljivkah.

Spremenljivko T uporabimo za izpis cele vrednosti temperature, spremenljivko T1 pa

uporabimo za izpis decimalne vrednosti temperature.

1wreset 1wwrite &H55 1wwrite Ar(0) , 8 1wwrite &H44 Waitms 1 1wreset 1wwrite &H55 1wwrite Ar(0) , 8 1wwrite &HBE Bd(1) = 1wread(9) 1wreset


69

6.13.6 Izračun tlaka

Tlak izmerimo posredno preko analogno-digitalnega pretvornika. Sprememba tlaka

povzroči spremembo napetosti na izhodu tipala. To napetost pa pripeljemo na vhod

analogno-digitalnega pretvornika. Ker analogno-digitalni pretvornik komunicira z

mikrokrmilnikom preko SPI vodila, moramo v programu najprej nastaviti vhode in izhode

SPI vodila.

To izvedemo takole:

Analogno-digitalni pretvornik nam vrednost vhodne napetosti pretvori v 12-bitno digitalno

vrednost. V programu moramo to vrednost vpisat v spremenljivko.To naredimo z

naslednjim ukazom:

Ko imamo 12-bitno vrednost zapisano v spremenljivki A, moramo to vrednost pretvoriti v

vrednost absolutnega tlaka. To izvedemo s pomočjo preprostih matematičnih operacij.

6.14 Programsko okolje BASCOM

Za programiranje mikrokrmilnika smo uporabili programski jezik Bascom 8051, ki

predstavlja tudi razvojno okolje.

Obstajajo tri različice tega programa:

• BascomLT (za družino 8051 mikrokrmilnikov),

• Bascom 8051 (za družino 8051 mikrokrmilnikov),

• Bascom AVR (za družino AVR mikrokrmilnikov).

Vse tri različice so precej podobne. Osnova jim je klasični Basic, ki je nadgrajen s podporo

za delo z mikrokrmilniki. Vsebuje torej ukaze in funkcije, s katerimi lahko konfiguriramo

in aktiviramo posamezne sklope mikrokrmilnika. Celotna arhitektura mikrokrmilnika je

poimenovana s simbolnimi nazivi, ki poenostavijo programiranje in razumevanje načina

delovanja teh relativno zahtevnih sklopov. Bascom AVR razvojno orodje vsebuje tudi

simulator in programsko podporo za okrog deset različnih programatorjev, s pomočjo

katerih prenesemo kodo iz računalnika v mikrokrmilnik. Zaradi tega se lahko celoten

Config Spi = Soft , Din = P3.2 , Dout = P3.3 , Cs = P3.7 , Clk = P3.4

Spiin A(1) , 12


70

razvoj od programiranja, simuliranja do prenosa kode v mikrokrmilnik, izvaja iz enega

samega delovnega okolja. Te programe lahko snamemo brezplačno s spleta. Demo verzije

so enake licenčnim, le velikost kode je omejena z 2 kB.

Slika 6.21 : Bascom 8051 delovno okolje

6.14.1 Bascom 8051 simulator

Bascom ima vgrajen programski simulator, ki nam pomaga pri razhroščevanju programa.

Simulator je zgolj enostaven pripomoček in ne povsem zanesljivo orodje, saj v simulatorju

ne moremo dobro simulirati prekinitev, časovnih zank in drugih zahtevnejših operacij. V

simulatorju bomo lahko spremljali potek programa, vpisovali vrednosti spremenljivk med

izvajanjem simulatorja ter na podlagi tega spremljali odziv na LCD prikazovalniku in LED

diodah. Simulator je razdeljen na več oken. V glavnem oknu vidimo program oziroma le

del programa, saj za celoten program ni dovolj prostora v oknu. Izvajanje programa lahko

sprožimo na dva načina: tekoče ali po korakih. Če izberemo tekoče izvajanje programa,

bomo težko spremljali, kaj se dogaja s programom, saj se bo program odvijal prehitro. Zato


71

ponavadi izberemo izvajanje po korakih. Vsakič, ko pritisnemo tipko F8, se bo kazalec iz

tekoče vrstice programa premaknil za eno vrstico naprej in izvedel napisan ukaz. Če

želimo v tem trenutku spremeniti vrednost določene spremenljivke, kliknemo v okno

Variables in ročno vpišemo ime spremenljivke oziroma jo izberemo iz padajočega menija.

Vnos potrdimo s tipko Enter in v oknu Value vpišemo vrednost spremenljivke ter zopet

potrdimo vnos z Enter. Nato lahko spet izvajamo program v simulatorju po korakih. V

kolikor pa se izkaže, da je izvajanje programa dolgo, lahko izberemo tekoče izvajanje

programa. V tem primeru si v oknu s programom označimo Break točke, kjer se izvajanje

simulatorja ustavi. Break točke postavimo tako, da z desnim gumbom miške kliknemo pri

odseku programa, kjer želimo imeti točko in nato kliknemo Toggle Break point. Na isti

način točko tudi odstranimo.

Slika 6.22 : Bascom 8051 simulator


72

6.14.2 Programator PG-302

Programsko okolje Bascom omogoča, da lahko neposredno iz okolja prepišemo program v

mikrokrmilnik. V ta namen moramo uporabiti programator PG-302.

Slika 6.23 : Prikaz izbire programatorja

V nastavitvah moramo izbrati primeren programator. V našem primeru je to PG-302. Poleg

tega moramo nastaviti tudi izhodna vrata preko katerih bomo priključili programator na

računalnik.

Program , ki smo ga napisali v Bascom-u, prevedemo z ukazom Compile ali tipko F7. Pri

prevajanju nam programsko okolje ustvari datoteki BIN in HEX. V teh dveh datotekah je

prevedena strojna koda program. Strojna koda je koda, ki jo neposredno prepišemo v

mikrokrmilnik.

V naslednjem koraku izberemo ikono Run programmer ali pritisnemo tipko F4. S tem

ukazom zaženemo programsko okno za zapis programa v mikrokrmilnik.


73

Slika 6.23 : Okno za zapis programa v mikrokrmilnik

Pred zapisom programa v mikrokrmilnik moramo izbrati tip mikrokrmilnika in določene

nastavitve.

Lock biti

Lock biti so biti, ki zaklenejo mikrokrmilnik. Zakleniti mikrokrmilnik pomeni, da ga ne

moremo prebrati, programirati oziroma verificirati. S tem lahko programsko vsebino

mikrokrmilnika zaščitimo pred kopiranjem.

Auto Erase

Auto Erase opcija pomeni, da pred vpisom v mikrokrmilnik predhodno vsebino

mikrokrmilnika izbrišemo. To je precej pomembno, saj mikrokrmilniki te vrste omogočajo

večkraten vpis.

Auto Verify

Auto Verify opcija omogoča, da po vpisu programa preverimo vpisano vsebino z

originalom na računalniku.


74

7 REZULTATI MERITEV

7.1 Napajalni del naprave

Napajalni del naprave je zasnovan tako, da napaja vezje s konstantno velikostjo napetosti.

Ker vezje vsebuje analogno-digitalni pretvornik, katerega izhod je odvisen od vhodne

napetosti in od napetosti napajanja, smo morali zagotovit čim bolj konstantno napajalno

napetost. Razmerje podaja enačba 6.1.

Napetost stabilizatorja LM7805 pri naši nalogi ni zadovoljila vseh potreb. Zaradi tega smo

morali uporabit stabilizator napajanja LP2950. Stabilizator napajanja LP2950 zagotavlja

konstantno napetost 5 V v območju do 100 mA.

Razliko med napetostjo na izhodu stabilizatorja LM7805 in stabilizatorjem LP2950

podajata naslednja dva grafa.

LM7805

4,987

4,988

4,989

4,99

4,991

4,992

4,993

4,994

0 10 20 30 40 50 60I(mA)

U(V)

Napetost(V)

Slika 7.1 : Napetost na izhodu stabilizatorja LM7805


75

LP2950

4,998

4,999

5

5,001

0 10 20 30 40 50 60I(mA)

U(V)

Napetost(V)

Slika 7.2 : Napetost na izhodu stabilizatorja LP2950

Naprava potrebuje za svoje delovanje tok velikosti od 15 mA do 25 mA. Razlika v porabi

toka nastane zaradi različnih komponent s katerimi komunicira mikrokrmilnik. Pri meritvi

smo operacije razdelili v pet skupin:

1. izpis podatkov na LCD,

2. branje temperature,

3. branje tlaka,

4. branje SMS-a,

5. Pošiljanje SMS-a.

Odvisnost toka od operacije

10

15

20

25

30

1 2 3 4 5 Operacija

I(mA)

I(ma)

Slika 7.3 : Odvisnost toka od operacije


76

Izračun porabljene moči

Izračunamo lahko minimalno, maksimalno in povprečno moč naprave. Minimalno moč

izračunamo po enačbi:

UIP ∗= minmin , (7.1))

pri tem je:

• Pmin – minimalna moč naprave,

• Imin – minimalen tok naprave,

• U – napetost naprave.

Ker poznamo minimalen tok in napetost na napravi lahko izračunamo:

VmAP 001,515min ∗= . (7.2)

Iz tega izračunamo minimalno moč:

mWP 01,75min = . (7.3)

Maksimalno moč izračunamo po enačbi:

UIP ∗= maxmax , (7.4))

pri tem je:

• Pmax – maksimalna moč naprave,

• Imax – maksimalen tok naprave,


Ker poznamo maksimalen tok in napetost na napravi lahko izračunamo:

VmAP n 001,525max ∗= . (7.5)


77

Iz tega izračunamo maksimalno moč:

mWP 03,125max = . (7.6)

Povprečno moč izračunamo po enačbi:

UIP pp ∗= , (7.7))

pri tem je:

• Pp – povprečna moč naprave,

• Ip – povprečen tok naprave,


Ker poznamo povprečen tok in napetost na napravi lahko izračunamo:

VmAPp 001,520 ∗= . (7.8)

Iz tega izračunamo povprečno moč:

mWPp 02,100= . (7.9)

Merjenje temperature

Naprava ima nalogo, da ne glede na to ali prejme SMS sporočilo za posredovanje

podatkov, meri temperaturo in tlak. Podatke vsake meritve izpisuje na LCD prikazovalnik.

V kataloških podatkih za tipalo tlaka je navedeno, da je izmerjena temperatura v območju

od -55 ºC do +125 ºC na 0,5 ºC natančno. Glede na to, da tipalo pošilja podatke

mikrokrmilniku v digitalni obliki, možnost popačenja signalov v tem delu ni možno.

Meritve smo izvajali v območju od -20 ºC do +35 ºC. Meritev na nižjih in višjih

temperaturah nismo izvajali, predvsem zaradi dejstva, da je to naprava za merjenje zračne

temperature. Temperature pod -20 ºC in nad +35 ºC pa so precej redka stvar. V tem

območju smo izvedli 60 meritev. Meritve podane grafično niso napisane zaporedno po

številki meritve, ampak so pisane po vrsti, glede na velikost temperature, od najnižje do


78

najvišje. Kot referenco smo uporabljali laboratorijski merilnik temperature podjetja

Thermo Electron Corporation, ki ima točnost meritve podano na 0,1 ºC natančno.

Meritev temperature

-30,0

-20,0

-10,0

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

0 10 20 30 40 50 60

Meritev

Temperatura(ºC)

Referenčni merilnikDS1820

Slika 7.4 :Prikaz rezultatov merjenja temperature

Izmerjeni rezultati se praktično pokrivajo z rezultati referenčnega termometra.

Podrobnejši rezultati so objavljeni v prilogi B.

7.2 Meritev tlaka

Enako kot temperaturo, tudi tlak, naprava meri neodvisno od stanja SMS sporočil. Pri

meritvi tlaka moramo biti pozorni na več stvari. Zelo pomembna stvar je ta, da tipalo meri

atmosferski tlak, ki z višino pada. Z višanjem nadmorske višine se eksponentno zmanjšuje

število molekul zraka, zaradi tega se zračni tlak z naraščanjem višine pojemajoče

zmanjšuje. Naslednja enačba je približek prvega reda;

155005log10

hP −≈ , (7.10)

pri tem je:

• P – atmosferski tlak (Pa),

• h – nadmorska višina (m).


79

Če enačbo nekoliko preoblikujemo, pridemo do zaključka, da v območju naših meritev

atmosferski tlak z višino pada. Padanje tlaka ni linearno in se z višino zmanjšuje. V našem

primeru so meritve izmerjene na takšni nadmorski višini pri kateri lahko padanje tlaka

lineariziramo. Tako znaša padec tlaka 1,2 mBar-a na 10 metrov nadmorske višine.

Če želimo imeti primerjavo med zračnimi tlaki različnih krajev po Sloveniji, moramo

izračunati relativni tlak kraja v katerem se nahaja naša merilna naprava. Vse meritve tlaka

smo izvajali na Muti, ki ima nadmorsko višino 337m. Relativni tlak smo izračunali po

enačbi:

dodabsr PPP += , (7.11)

pri tem je:

• rP – relativni tlak,

• absP – izmerjen atmosferski tlak,

• dodP – izračunan dodatek tlaka.

dodP moramo izračunati po enačbi:

102,1 mBarhPdod

∗= , (7.12)

pri tem je:

• h – nadmorska višina merilnega mesta,

• dodP – izračunan dodatek tlaka.

Izvedli smo 50 meritev pri različnih zračnih tlakih. Kot referenčne vrednosti smo

primerjali rezultate meritev Agencije Republike Slovenije za okolje. Izmerjeni rezultati so

podani v obliki relativnega tlaka. Rezultati so podani od najnižje izmerjenega tlaka do

najvišje izmerjenega tlaka in ne podajajo zaporedja meritev. Najnižji relativni tlak je bil

izmerjen 988 mBar-ov, najvišji relativni tlak je bil izmerjen 1022 mBar-ov.


80

Meritev tlaka

985,0

990,0

995,0

1000,0

1005,0

1010,0

1015,0

1020,0

1025,0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Meritev

Tlak (mBar)

ARSONaprava

Slika 7.5 :Prikaz rezultatov merjenja tlaka

Rezultati so povsem zadovoljili naša pričakovanja.

Podrobnejši tabelarični način prikaza rezultatov se nahaja v prilogi B.

7.3 Merjenje signala pri zaporedni komunikaciji RS232

Naprava temelji na zaporedni komunikaciji med mikrokrmilnikom in GSM modulom. Pri

zaporednem asinhronem prenosu moramo vsebino digitalnih podatkov razstaviti na

osnovne gradnike oziroma bite. Za pravilno delovanje moramo dodati nadzorne bite in

nato vse skupaj prenesti prek prenosnega medija do sprejemnega mesta. Na sprejemnem

mestu moramo sprejeti signal rekonstruirati tako, da zopet dobi prvotno obliko. Pri

standardu RS232 je značilen start bit, ki ima vrednost nič in predstavlja sinhronizacijski

bit, s katerim pri vsakem oddanem znaku, sinhroniziramo sprejemnik z oddajnikom. Sledi

osem podatkovnih bitov, ki predstavljajo ASCII znak posameznega karakterja. Prenos se

konča s paritetnim bitom, ki ni nujen in z enim ali dvema stop bitoma. Stop bit predstavlja

dodatno sinhronizacijsko vrzel. Bitno hitrost določa kristalni oscilator in je zelo pomembna

za pravilno oddajo in sprejem signala.


81

Slika 7.6: Diagram signala pri zaporednem prenosu RS232 za črko 'A'

Slika 7.7: Diagram signala pri zaporednem prenosu RS232 za črko 'K'

Za komunikacijo med mikrokrmilnikom in GSM modulom je potrebno vzpostaviti

podatkovni protokol po standardu GSM07. Ta standard podpira množica AT-ukazov za

upravljanje z GSM modulom ali telefonom.

Sledeča meritev prikazuje signal, ki ga pošlje mikrokrmilnik GSM modulu po zaporednem

RS232 kablu z DB-9 priklopnim konektorjem. Digitalni signal je sestavljen iz velike črke

A in T ter predstavlja osnovni Hayesov AT ukaz (ATtention). Če je GSM naprava prisotna,

odgovori modul na ta ukaz z OK.

Preden pričnemo z meritvijo je dobro predvideti pričakovani signal, ki se bo pojavil na

zaslonu osciloskopa. Najprej smo s pomočjo ASCII tabele določili decimalno vrednost

črke A in T in jo nato pretvorili v binarni zapis, primeren za digitalni prenos.


82

Tabela 7.1: Zgradba podatkovnega paketa

ZGRADBA PODATKOVNEGA PAKETA

ASCII

znak

Decimalni

zapis

Začetni

bit

Binarni zapis

zloga

Paritetni

bit

Končni

bit

A 65 0 01000001 0 1

T 84 0 01010100 0 1

O 79 0 01001111 0 1

K 75 0 01001011 0 1

CR 45 0 00101101 0 1

LF 10 0 00001010 0 1

Pomen kratic:

CR - (carriage return) predstavlja nadzorni znak in pomeni premik na začetek vrstice,

LF - (line feed) predstavlja nadzorni znak za premik v novo vrstico.

Pričakujemo signal glede na sledečo obliko binarnih stanj karakterjev:

Tabela 7.2: Binarni zapis karakterjev Z črka A P K Z črka T P K 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 Z carriage return P K Z line feed P K 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1

Pomen kratic:

• Z - začetni bit,

• P - paritetni bit,

• K - končni bit.

Opazimo lahko, da je zlog v tem primeru dolg 7 bitov, začne se z začetnim bitom '0', konča

pa s paritetnim bitom '0' in enim končnim bitom '1'. Zlogi lahko po nekaterih standardih

vsebujejo namesto 8, tudi 7 in 6 ali celo le 5 bitov. To ni nič narobe, le iste metodologije se

moramo držati, tako na oddajni, kot tudi na sprejemni strani.


83

Na sliki vidimo binarni zapis črke 'A' in 'T', ki sestavljata ukaz, ki ga mikrokrmilnik pošlje

GSM modulu.

Slika 7.8: Diagram signala 'AT', ki ga generira mikrokrmilnik

Prenosna hitrost med mikrokrmilnikom in GSM modulom znaša 19200 bit/s. Torej traja

prenos posameznega bita 52 µs, kar se vidi tudi na oscilogramu.

Pri RS232 standardu se najprej odpošlje bit z najmanjšo utežjo LSb (Least Significant bit)

in nazadnje bit z največjo utežjo MSb (Most Significant bit). Signalne napetosti so pri

RS232 standardu precej visoke, in sicer med -12 V in +12 V. Logični nivoji pa so

invertirani. Logično '0' predstavlja pozitivna napetost +12 V, logično '1' predstavlja -12 V.

Če želimo napetosti med mikrokrmilnikom in GSM terminalom uskladiti, moramo

uporabiti izravnalnik logičnih nivojev, integrirano vezje MAX232.

Na ukaz 'AT', ki ga GSM modul sprejme od mikrokrmilnika, odgovori modul z 'OK', če je

komunikacija uspela, kar prikazuje naslednja slika.


84

Slika 7.9: Diagram signala 'OK', ki ga generira GSM modul

7.4 Merjenje pošiljanja in prejemanja SMS sporočila

Pošiljanje in prejemanje SMS sporočil poteka po naslednjem vrstnem redu. V primeru, da

želimo izvedeti vrednost temperature in tlaka na lokaciji naprave moramo na vnaprej znano

telefonsko številko poslati SMS sporočilo z eno izmed ključnih besed. Če želimo, da nam

naprava pošlje SMS sporočilo z vrednostjo tlaka, moramo poslati ključno besedo TLAK.

Če želimo, da nam naprava vrne podatek o temperaturi moramo poslati SMS sporočilo s

ključno besedo TEMP. V primeru, da želimo, da nam naprava vrne vrednost temperature in

tlaka, moramo poslati ključno besedo T?. Naprava na vsakršno drugačno vsebino SMS

sporočila ne bo odgovorila.

Slika prikazuje postopek pošiljanja SMS sporočila:


85

Slika 7.9: Pošiljanje ključne besede

Ključno besedo je potrebno poslati na telefonsko številko naprave:

Slika 7.10: Vpis telefonske številke in potrditev pošiljanja


86

V primeru, da je bila poslana ključna beseda T?, dobimo na mobilni telefon SMS sporočilo

z naslednjo vsebino:

Slika 7.11: Vsebina prejetega SMS sporočila

Naredili smo 10 meritev in dobili povprečni čas, v katerem dobimo vrnjeno SMS

sporočilo. Povprečni čas, ki ga naprava porabi, da nam vrne informacijo o temperaturi ali

tlaku znaša 18,95 sekund. Na čas vrnitve SMS sporočila ne vpliva vsebina ključne besede.

Čas od poslanega SMS sporočila do prejetja SMS sporočila

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Meritev

Čas (s)

čas

Slika 7.12: Čas od poslanega SMS sporočila do prejetega SMS sporočila


87

Čas, ki preteče od pošiljanja SMS sporočila do prejetja SMS sporočila, ni ključnega

pomena pri tej nalogi. Na rezultate meritev temperature in tlaka nima nobenega vpliva, bi

pa bilo možno program zapisan v mikrokrmilniku nekoliko spremeniti. Na takšen način bi

lahko ta čas nekoliko skrajšali.

7.5 Prikaz meritev na LCD prikazovalniku

Na napravi imamo priključen LCD prikazovalnik velikosti 16*2 znaka. Na tem

prikazovalniku prikazujemo vrednost izmerjene temperature in tlaka, ter celoten postopek

prejemanja SMS sporočila in pošiljanja SMS sporočila.

Naslednja slika prikazuje prikaz temperature in tlaka na LCD prikazovalniku:

Slika 7.12: Prikaz temperature in tlaka na LCD prikazovalniku

Na LCD prikazovalniku izpisujemo tudi stanje poslanih in prejetih SMS sporočil. V

trenutkih, ko mikrokrmilnik dostopa do GSM modula in preverja prejeta SMS sporočila, se

nam na LCD prikazovalniku izpiše besedilo, ki ga prikazuje naslednja slika. V tem

trenutku mikrokrmilnik preverja ali je bilo sprejeto kakšno novo sporočilo. V primeru, da

je bilo sporočilo sprejeto, mikrokrmilnik shrani telefonsko številko in vsebino sporočila v

pomnilnik.


88

Slika 7.13: Zagon branja SMS sporočila

Na zaslonu se izpiše telefonska številka pošiljatelja SMS sporočila:

Slika 7.14: Izpis pošiljatelja SMS sporočila

V primeru, da je prejeto sporočilo vsebovalo ključno besedo, bo mikrokrmilnik v

naslednjih korakih izvedel operacijo pošiljanja. Na LCD zaslonu se bo izpisal celoten

postopek pošiljanja SMS sporočila. Postopek pošiljanja vsebuje tudi izpis telefonske

številke prejemnika. V primeru, da sporočilo ne vsebuje ključnih besed mikrokrmilnik

izbriše SMS sporočilo.


89

Slika 7.15: Zagon pošiljanja SMS sporočila

Slika 7.16: Izpis AT ukaza in telefonske številke prejemnika SMS sporočila

Slika 7.13: Potrditev zaključka pošiljanja SMS sporočila

Naprava se v naslednjem koraku vrne na izpis temperature in tlaka.


90

8 SKLEP

V diplomski nalogi smo želeli predstaviti konstrukcijo in izvedbo naprave s pomočjo

katere lahko izmerjene podatke o temperaturi in tlaku posredujemo na daljavo. Do

podatkov o temperaturi in tlaku lahko dostopamo praktično povsod, kjer imamo GSM

signal. Komunikacija z napravo se vrši s pomočjo SMS sporočil. V diplomski nalogi smo

želeli uporabiti takšna tipala temperature in tlaka, ki posredujejo vrednosti temperature in

tlaka v mejah, ki se uporabljajo pri vremenskih meritvah.

Diplomsko delo je bilo v celoti realizirano in preizkušeno v laboratoriju. Naprava je

prestala že precejšnjo preizkusno obdobje, njeno delovanje pa se je izkazalo za stabilno in

zanesljivo. Prototip naprave je bil izdelan na preizkusni ploščici in bo še vedno služil za

dograjevanje in odpravljanje napak, ki bi se morebiti pojavile na sistemu. Komunikacija

med napravo in mobilnim telefonom deluje povsem po pričakovanjih. Čas, ki preteče od

trenutka pošiljanja SMS sporočila do prejetja SMS sporočila je mejah pričakovanega.. Pri

testiranju tipal temperature in tlaka smo dobili rezultate, ki so v mejah želenega.

Sistem je zasnovan za merjenje temperature in tlaka, z enostavno možnostjo nadgradnje. S

takšnim sistemom je možno izdelati celotno meteorološko postajo. Napravo pa je možno

uporabiti tudi kot napravo za daljinski nadzor Nadzor lahko zajema tipanje veličin in

krmiljenje veličin na daljavo.


91

LITERATURA

[1] A. Orehek, Merilniki in merilne metode v elektroniki, Tehniška založba Slovenije,2004 [2] D. Đonlagić, Merjenja temperatur in tlakov, Feri, 1995 [3] D. Đonlagić, Senzorji, http://leoss.feri.uni-mb.si/Predavanja/Senzorji/

FizOsnove_ senzorji.pdf [4] GSM modul Siemens MC35i, http://telematika.com.ua/index2.php?option=

com_docman&task=doc_view&gid=9&Itemid=29, 2009 [5] J. Mikeln, Praktična uporaba mikrokontrolerjev, 2. izd., AX elektronika, Ljubljana, 2002

[6] M. Solar, Meritve v elektroniki, Feri, 2001 [7] J. Mikeln, V. Mitrović, Bascom-teorija in praktični primeri, AX elektronika, Ljubljana,

2007 [8] RS232 standard, http://ro.zrsss.si/projekti/elektrotehnika/serprog/ [9] Bascom 8051, http://8051help.mcselec.com/index.html [10] AT89C4051, http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1001.pdf [11] DS1820, http://www.systronix.com/Resource/ds1820.pdf [12] MPXS4100A, http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/motorola/MPXS4100A6U.pdf [13] LP2950, http://www.national.com/ds/LP/LP2950.pdf [14] ADC121S101, http://www.national.com/ds/DC/ADC121S101.pdf [15] MAX232, http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/max232.pdf


92

PRILOGA A: Seznam elementov

Tabela 10.1: Seznam uporabljenih elementov za napravo

Oznaka Vrednost Kos Opomba U1 AT89C4051 1 Mikrokrmilnik, PDIP U2 LP2950 1 Napetostni stabilizator U3 ADC121S101 1 A-D pretvornik U4 CMC16l02 1 LCD Prikazovalnik U5 DS1820 1 Tipalo temperature U6 MPXS41001 1 Tipalo tlaka U7 MAX232 1 Zaporedni pretvornik nivojev S1 SE-2P 1 Stikalo Y1 11,059MHz 1 Kristal R1 51 kΩ 1 Upor, ¼ W R2 1 kΩ 1 Trimer upor, ¼ W R3 10 kΩ 1 Upor, ¼ W R4 4,7 kΩ 1 Upor, ¼ W C1,C2 1 μF/16V 2 Radialni C3,C4 33 pF 2 Keramični C5 50 pF 1 Keramični C7,C8,C23,C24 10 μF/16V 4 Radialni J5 IDC-9 1 Za RS232 povezavo J6 IDC-14 1 Podnožje za LCD DIL 6 6-pinsko podnožje 1 Podnožje za ADC121S101 DIL 8 8-pinsko podnožje 1 Podnožje za MPXS4100A DIL 14 14-pinsko podnožje 1 Podnožje za RS232 DIL 20 20-pinsko podnožje 1 Podnožje za AT89C4051 Konektor DB9 F 1 Za RS232 povezavo Usmernik 12V/500mA 1 Za napajanje naprave TIV Tiskano vezje 1 Dvostransko GSM modul Siemens MC35i 1 GSM modul


93

PRILOGA B: Rezultati meritev

Tabela 10.2: Merjenje temperature

Št. mer. Ref. merilnik (ºC)

DS1820 (ºC)

Št. mer. Ref. merilnik (ºC)

DS1820 (ºC)

1 -19,9 -20,0 28 7,0 7,12 -19,0 -19,1 29 8,0 8,03 -18,1 -18,0 30 9,0 9,04 -17,0 -16,9 31 10,0 9,95 -16,0 -15,9 32 11,0 10,96 -15,1 -15,0 33 12,0 11,97 -14,0 -13,9 34 13,0 13,18 -13,1 -13,0 35 14,0 14,29 -12,0 -11,8 36 15,0 15,1

10 -11,0 -10,8 37 16,0 16,011 -10,1 -10,0 38 17,0 17,012 -8,9 -8,7 39 18,0 18,013 -7,9 -7,8 40 19,0 19,114 -6,9 -7,0 41 20,0 20,015 -6,0 -5,9 42 20,9 20,916 -5,0 -4,9 43 21,8 22,017 -4,0 -3,8 44 23,0 23,118 -3,0 -2,9 45 24,0 24,019 -2,0 -1,9 46 25,0 25,120 -1,0 -0,9 47 26,2 26,121 0,1 0,0 48 27,0 26,922 1,0 1,1 49 28,2 28,023 2,0 2,0 50 29,3 29,224 3,0 3,1 51 30,3 30,125 3,9 4,0 52 31,0 31,226 5,0 5,0 53 32,2 32,027 6,1 6,2 54 33,0 32,9


94

Tabela 10.3: Merjenje tlaka

Št. mer. ARSO (mBar)

MPXS4100A (mBar)

Št. mer. ARSO (mBar)

MPXS4100A (mBar)

1 988,0 988,5 26 1002,0 1003,02 988,0 989,0 27 1003,0 1003,43 989,0 989,0 28 1003,0 1003,54 989,0 989,1 29 1004,0 1004,35 989,0 989,7 30 1005,0 1005,56 989,0 989,8 31 1006,0 1006,67 990,0 990,0 32 1007,0 1007,88 990,0 990,4 33 1007,0 1008,29 990,0 990,6 34 1008,0 1009,0

10 991,0 991,5 35 1009,0 1010,011 991,0 992,0 36 1010,0 1010,412 993,0 992,6 37 1010,0 1011,013 994,0 994,3 38 1011,0 1011,514 994,0 994,8 39 1011,0 1011,915 995,0 994,9 40 1012,0 1012,316 995,0 996,3 41 1013,0 1013,417 996,0 996,4 42 1013,0 1013,718 996,9 997,0 43 1014,0 1014,319 997,0 997,9 44 1015,0 1015,320 998,0 998,3 45 1016,0 1016,821 999,0 999,5 46 1017,0 1017,922 999,0 999,8 47 1017,0 1018,223 1000,0 1000,1 48 1018,0 1018,524 1001,0 1000,8 49 1018,0 1018,725 1002,0 1002,0 50 1018,0 1018,9

Tabela 10.3: Merjenje časa od poslanega SMS sporočila z zahtevo do prejetega SMS

sporočila z vsebino

Št. mer. T(s) 1 18,20 2 18,88 3 20,31 4 22,06 5 17,89 6 19,90 7 16,77 8 18,99 9 19,20

10 17,30


95

PRILOGA C: Zgoščenka

Vsebina zgoščenke:

Datoteke:

• Diploma.pdf,

• Diploma.doc.

Programska koda:

• Program.hex,

• Program.bin.

Načrt naprave:

• Naprava.sch.

Tehnični podatki:

• AT89C4051.pdf,

• MPXS4100A.pdf,

• LP2950.pdf,

• MAX232.pdf,

• ADC121S101.pdf,

• DS1802.pdf,

• GSM modul.pdf.


96


97

Documents

TELEMETRIČNI SISTEM Z MOBILNIM TELEFONOMČe imamo senzor pritiska, katerega odziv je sprememba upornosti, potrebujemo dodatno napajanje za pretvorbo odziva napetosti. Rezultat pretvorbe