ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΑΝΑΤΟΛΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΑΚΗΣ
ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ T.E.
ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
Έλεγχος φορτίων οικίας μέσω GSM Load control of a house via GSM
Σπουδαστές:
Ματσάνης Αθανάσιος (ΑΕΜ 4934) Βολτέας Νικόλαος (ΑΕΜ 4867)
Επιβλέπων καθηγητής:
Κόγιας Παναγιώτης
ΚΑΒΑΛΑ 2013
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΑΝΑΤΟΛΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΑΚΗΣ
ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ T.E.
ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
ΕΛΕΓΧΟΣ ΦΟΡΤΙΩΝ ΟΙΚΙΑΣ ΜΕΣΩ GSM LOAD CONTROL OF A HOUSE VIA GSM
ΣΠΟΥΔΑΣΤΕΣ:
ΜΑΤΣΑΝΗΣ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ (ΑΕΜ 4934) ΒΟΛΤΕΑΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ (ΑΕΜ 4867)
ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ:
ΚΟΓΙΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ
ΚΑΒΑΛΑ 2013
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Στόχος της παρούσας πτυχιακής εργασίας, είναι η κατασκευή ενός συστήματος που θα πραγματοποιεί αυτόματα τις βασικές λειτουργίες ενός έξυπνου σπιτιού. Ενός δηλαδή σπιτιού, το οποίο εκμεταλλεύεται τις σύγχρονες υπηρεσίες της τεχνολογίας με σκοπό να παρέχει καλύτερη ποιότητα στην ασφάλεια, στην άνεση, στην επικοινωνία και στην τεχνική διαχείριση.
Η εντολή για την εκτέλεση των εργασιών γίνεται με τη χρήση τηλεφώνου από οποιοδήποτε γεωγραφικό σημείο. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιείται με ένα ασύρματο τηλεπικοινωνιακό δίκτυο παγκόσμιας εμβέλειας όπως είναι το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας GSM, καθώς επίσης και από άλλα βασικά υποσυστήματα όπως ο μικροελεγκτής PIC16C57, ο σταθεροποιητή τάσης LM7805, το κύκλωμα αναγνώρισης και επεξεργασίας παλμών τονικού τηλεφωνικού συστήματος γνωστό και ως DTMF, ηλεκτρονόμοι (relays), ηλεκτρικός πίνακας κλπ.
Η συσκευή που κατασκευάστηκε και περιγράφεται στο τρίτο κεφάλαιο μπορεί και διαχειρίζεται το φωτισμό, τη θέρμανση, την ψύξη, το πότισμα του κήπου, το άνοιγμα και κλείσιμο των ρολών της τέντας, τον έλεγχο οικιακών συσκευών, το συναγερμό, από οποιοδήποτε μέρος της γης με την χρήση απλών εντολών μέσω τηλεφώνου.
Στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφεται η λειτουργία ενός έξυπνου σπιτιού.
Αναφέρονται οι τεχνολογίες και οι βασικές λειτουργίες του, αλλά και το πώς μπορούμε να τις ελέγχουμε.
Το δεύτερο κεφάλαιο περιγράφει τη λειτουργία ενός GSM δικτύου. Γίνεται παρουσίαση της αρχιτεκτονικής του GSM συστήματος, ενώ παράλληλα αναφέρονται και τα βασικά χαρακτηριστικά της ασφάλειας του.
Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με την κατασκευή συστήματος για τον τηλεχειρισμό οκτώ συσκευών μέσου τηλεφώνου. Πραγματοποιείται η θεωρητική ανάλυση των υποσυστημάτων που το περιλαμβάνουν, αλλά και πειραματισμός για την κατανόηση της λειτουργίας του.
Λέξεις κλειδιά
Έξυπνο σπίτι, Τηλεπικοινωνιακά συστήματα, Δίκτυο GSM, Ασφάλεια GSM, Μικροελεγκτής, Ολοκληρωμένο, Σταθεροποιητής τάσης, Ρελέ, Τηλέφωνο.
ΑBSTRACT
The objective of this thesis, is building a system that will automatically performs the basic functions of a smart home. A IE House, which exploits the modern services of technology in order to provide better quality security, comfort, communication and technical management.
The mandate for the performance of the work is done using the phone from any geographical point. This procedure is performed with a global wireless telecommunications network such as GSM mobile network, as well as from other subsystems such as microcontroller PIC16C57, LM7805, voltage stabilizer circuit pulse processing and tonal recognition telephone system known as DTMF, relays (relays), switchboard etc.
The device was constructed and described in the third chapter can and manage lighting, heating, cooling, watering the garden, opening and closing of the rolls of the tent, checking household appliances, alarm, from any part of the Earth by using simple dial command.
In the first chapter described the function of a smart home. Referenced technologies and basic functions, but also how we can control.
The second chapter describes the operation of a GSM network. Presenting GSM system architecture, while listed the key features of security.
The third chapter deals with the construction of system for remote control eight devices phone instrument. The theoretical analysis of subsystems that include, but experimentation for understanding of its operation.
Key Words
Smart House, telecommunication systems, GSM network, the GSM Security system, Microcontroller, Integrated, voltage stabilizer, Relays, telephone.
Ευχαριστίες
Αρχικά, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον καθηγητή κ. Παναγιώτη Κόγια για την κατανόηση και την στήριξη που μας παρείχε κατά την διάρκεια ανάπτυξης της πτυχιακής εργασίας αλλά και κατά την διάρκεια της φοίτηση μας στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του ΤΕΙ Ανατολικής Μακεδονίας και Θράκης. Επίσης, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε και όλους τους υπόλοιπους καθηγητές του τμήματος, για την καθοδήγηση και την πολύπλευρη στήριξη που μας παρείχαν καθ’ όλοι την διάρκεια της φοίτησης μας. Τέλος, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τις οικογένειες μας για την υπομονή και την υποστήριξη που μας παρείχαν, χωρίς την οποία θα ήταν αδύνατον να ολοκληρώσουμε τις σπουδές μας. Από τα βάθη της καρδιάς μας τους αφιερώνουμε την παρούσα πτυχιακή εργασία.
Ματσάνης Αθανάσιος: Στην αγαπημένη μου σύζυγο Ιωάννα και στις κόρες μου Αιμιλία και Κλημεντίνη.
Βολτέας Νίκος: Στην αγαπημένη μου σύζυγο Παρθένα και στα παιδιά μου Σοφία, Ευστράτιο, Θεοφάνη, Παρασκευή και Πετρούλα.
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
Περίληψη ... 1
Αbstract ... 2
Ευχαριστίες ... 3
Κεφάλαιο 1 - Το έξυπνο σπίτι ... 4
1.1 Εισαγωγή ... 7
1.2 Γενική περιγραφή... 7
1.3 Τι είναι το έξυπνο σπίτι ... 7
1.4 Λειτουργίες του έξυπνου σπιτιού ... 9
1.5 Τεχνολογίες του έξυπνου σπιτιού ... 10
1.6 Απαιτήσεις λειτουργίας και κατασκευής του έξυπνου σπιτιού ... 12
1.7 Τρόπος υλοποίησης του έξυπνου σπιτιού στην πτυχιακή ... 13
Κεφάλαιο 2 - Δίκτυο GSM ... 14
2.1 Εισαγωγή ... 14
2.2 Τηλεφωνία κυψέλης ... 14
2.3 Δίκτυο GSM ... 15
2.4 Υπηρεσίες του GSM ... 17
2.5 Τεχνικά χαρακτηριστικά του GSM ... 18
2.6 Τεχνολογία GPRS (General Packet Radio Service) ... 21
2.7 Βασικά μέρη του GSM ... 21
2.8 Ασφάλεια του GSM ... 28
2.9 Κάρτα SIM ... 23
Κεφάλαιο 3 - Τηλεχειρισμός οχτώ συσκευών μέσω τηλεφώνου σε δίκτυο GSM .... ... 25
3.1 Εισαγωγή ... 25
3.2 Γενική περιγραφή συστήματος ... 25
3.3 Τεχνικά χαρακτηριστικά ... 26
3.4 Λειτουργία του κυκλώματος ... 26
3.5 Σταθεροποιητής τάσης LM 7805 ... 27
3.6 Ολοκληρωμένο HT9170 ... 28
3.7 Μικροελεγκτής PIC16C57... 31
3.8 Ηλεκτρονόμοι (relays) ... 32
3.9 Ηλεκτρικός πίνακας ... 32
3.10 Κατασκευή συστήματος ... 34
3.11 Σύνδεση συστήματος ... 36
3.12 Προγραμματισμός ... 37
3.13 Αλλαγή κωδικού αριθμού ... 38
3.14 Καταστάσεις όλων των τηλεχειριζόμενων συσκευών ... 38
3.15 Υλικά... 40
3.16 Πειραματισμός ... 42
Συμπεράσματα - Προτάσεις ... 44
Βιβλιογραφία ... 45
Κατάλογος σχημάτων
Κεφάλαιο 1 Σχήμα 1.1: Το έξυπνο σπίτι ... 10Σχήμα 1.2: Ασύρματη σύνδεση συσκευών ... 11
Κεφάλαιο 2 Σχήμα 2.1: Αναπαράσταση τηλεφωνικού κυψελωτού δικτύου ... 15
Σχήμα 2.2: Δίκτυο GSM ... 16
Σχήμα 2.3: Πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης συχνότητας FDMA ... 19
Σχήμα 2.4: Πολλαπλή πρόσβασηδιαίρεσης χρόνου FDMA ... 20
Σχήμα 2.5: Κλειδί κάρτας SIM ... 22
Σχήμα 2.6: Κάρτα SIM ... 24
Κεφάλαιο 3 Σχήμα 3.1: Κύκλωμα με το LM7805 καθώς και οι ακροδέκτες που αντιστοιχούν στο κύκλωμα ... 28
Σχήμα 3.2: Ολοκληρωμένο HT9170 ... 29
Σχήμα 3.3: Μικροελεγκτής PIC16C57 ... 31
Σχήμα 3.4: Ρελέ κυκλώματος (Relay) ... 32
Σχήμα 3.5: Ο ηλεκτρικός πίνακας της κατασκευής ... 33
Σχήμα 3.6: Σύστημα τηλεχειρισμού οκτώ συσκευών μέσω τηλεφώνου ... 36
Σχήμα 3.7: Συνδεσμολογία λάμπας με ηλεκτρονόμο (relays) ... 37
Σχήμα 3.8: Μακέτα συστήματος για τον έλεγχο οκτώ συσκευών μέσω τηλεφώνου . 42 Σχήμα 3.9: Μακέτα συστήματος με ενεργοποίηση της συσκευής 1(θερμοσίφωνας). 43
Κατάλογος πινάκων
Κεφάλαιο 3 Πίνακας 3.1: Λειτουργίες διευθυνσιοδότησης ... 30Πίνακας 3.2: Καταστάσεις όλων των τηλεχειριζόμενων συσκευών ... 39
Πίνακας 3.3: Πίνακας υλικών ... 42
Κατάλογος διαγραμμάτων
Κεφάλαιο 3 Διάγραμμα 3.1: Ηλεκτρονικό σχέδιο συστήματος ... 27ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 – ΤΟ ΕΞΥΠΝΟ ΣΠΙΤΙ
1.1 Εισαγωγή
Στο κεφαλαίου αυτό, θα μελετήσουμε τι είναι το έξυπνο σπίτι, ποιες είναι μερικές από τις βασικές λειτουργίες του αλλά και πως μπορούμε να τις ελέγχουμε. Επίσης, θα αναφερθούμε στις τεχνολογίες του έξυπνου σπιτιού και θα εξετάσουμε τις απαιτήσεις λειτουργίας και κατασκευής του.
1.2 Γενική περιγραφή
Από την αρχή της δημιουργίας του, ο άνθρωπος αναζητούσε ένα μέρος για να μείνει το οποίο θα τον προστάτευε από διάφορους εξωτερικούς κινδύνους και φυσικά φαινόμενα. Χρησιμοποιώντας υλικά από το περιβάλλον κατάφερε να δημιουργήσει το πρώτο σπίτι. Καθώς τα χρόνια περνούσαν και η τεχνολογία άκμαζε με ολοένα και μεγαλύτερους ρυθμούς, το σπίτι έπαψε να καλύπτει μόνο την ανάγκη της ασφάλειας.
Ο ρόλος του σπιτιού στη σύγχρονη εποχή ικανοποιεί πλήθος αναγκών του ανθρώπου, κυρίως της άνεσης και της επικοινωνίας με τη βοήθεια των ηλεκτρικών συσκευών. Η τεχνολογία έχει εισβάλλει στο οικιακό περιβάλλον αλλά και σε κάθε άλλη πτυχή της καθημερινότητας μας.
Η δημιουργία προγραμματιζόμενων συσκευών για χρήση στην καθημερινή ζωή παρουσιάζει μεγάλη εξέλιξη. Η συνεχώς αυξανόμενη διείσδυση των ηλεκτρονικών υπολογιστών με τη δυνατότητα μεγάλου μέρους των χρηστών να έχουν πρόσβαση στο διαδίκτυο, η συνεχής πρόοδος στην τηλεφωνία με την ανάπτυξη έξυπνων συσκευών και η αυτοματοποίηση των συστημάτων, δημιούργησαν το έξυπνο σπίτι, το οποίο μας παρέχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε την υπάρχουσα τεχνολογία για τη διευκόλυνση των καθημερινών μας αναγκών καθώς επίσης και για την ασφάλεια τόσο της δικής μας όσο και της περιουσίας μας.
1.3 Τι είναι το έξυπνο σπίτι
Έξυπνο σπίτι μπορεί να χαρακτηριστεί το σπίτι, ή κάθε εργασιακό περιβάλλον στο οποίο είναι εγκατεστημένη τεχνολογία που επιτρέπει την αυτόματη λειτουργία και επικοινωνία συσκευών ή συστημάτων. Τεχνολογία για το έξυπνο σπίτι, είναι η
ολοκλήρωση υπηρεσιών και τεχνολογιών οι οποίες εφαρμόζονται με σκοπό την αυτοματοποίηση και την αύξηση του βαθμού προστασίας, άνεσης, και επικοινωνίας.
Ο χώρος των έξυπνων σπιτιών είναι ένα μοναδικό προϊόν, αποτέλεσμα μακρόχρονης και εντατικής προσπάθειας που αξιοποιεί την επιστημονική γνώση και την πιο εξελιγμένη τεχνολογία για να προσφέρει στον σύγχρονο άνθρωπο, υψηλότερη ποιότητα ζωής στο σπίτι, και στον χώρο εργασίας.
Ο παρακάτω ορισμός της «ευφυούς κατοικίας» (smart home ή domotics) δόθηκε από τα Ευρωπαϊκά προγράμματα ADAPT και DIP: «Είναι η ολοκλήρωση των υπηρεσιών και τεχνολογιών που εφαρμόζεται σε κατοικίες, διαμερίσματα και κτίρια με τον σκοπό να αυτοματοποιηθούν και να παρέχουν καλύτερη ποιότητα»:
Στην ασφάλεια
Στην άνεση
Στην επικοινωνία
Στην τεχνική διαχείριση
Με την χρήση του έξυπνου σπιτιού υπάρχουν αρκετά πλεονεκτήματα όπως:
Έλεγχος ηλεκτρικών συσκευών.
Έλεγχος φωτισμού.
Εξυπηρέτηση ατόμων με ειδικές ανάγκες και υπερήλικων.
Ασφάλεια.
Λήψη και μεταφορά video σημάτων.
Έλεγχος και προστασία μηχανισμών των ηλεκτρικών θυρών (με αισθητήρες υγρασίας κλπ).
Έλεγχος θερμοκρασίας συνεχόμενα όλο το χρόνο π.χ. έλεγχος ηλεκτροβάνας.
Το δίκτυο του σπιτιού έχει ορισμένα χαρακτηριστικά και απαιτήσεις, τα οποία θα πρέπει να ανταποκρίνονται σε κάποια πρότυπα για να μπορεί το έξυπνο σπίτι να κατασκευαστεί και να είναι λειτουργικό.
1.4 Λειτουργίες του έξυπνου σπιτιού
Κάποιες βασικές λειτουργίες του έξυπνου σπιτιού που μπορούμε να ελέγχουμε είναι οι εξής:
Έναρξη και παύση της ηλεκτρικής κουζίνας και του θερμοσίφωνα.
Άναμμα και σβήσιμο λαμπτήρων φωτισμού.
Άναμμα και σβήσιμο του καλοριφέρ.
Έλεγχος ηλεκτροβάνας κεντρικής παροχής νερού.
Έλεγχος ποτίσματος κήπου.
Έλεγχος ασφάλειας οικίας (μέσω αισθητήρων κίνησης), αισθητήρων μέτρησης όγκου ή συνδυασμού τεχνολογίας αυτών.
Ανέβασμα και κατέβασμα ηλεκτρικών ρολών και τεντών.
Οι τρόποι με τους οποίους μπορούμε να ελέγχουμε τις λειτουργίες των συσκευών του έξυπνου σπιτιού μπορούν να ποικίλουν και περιλαμβάνουν τα εξής:
Από την τηλεφωνική μας συσκευή ή από τηλεφωνική συσκευή στην δουλειά.
Ο χρήστης του έξυπνου σπιτιού μπορεί να διαχειρίζεται τις κύριες ηλεκτρικές λειτουργείς της κατοικίας του από οποιοδήποτε τονικό τηλέφωνο, σταθερό ή κινητό, όταν βρίσκεται μακριά.
Από το διαδίκτυο, δηλαδή από οποιονδήποτε υπολογιστή που μπορεί να έχει πρόσβαση.
Με τηλεχειρισμό και χωρίς να υπάρχει ανάγκη για οπτική επαφή με την συσκευή.
Από έναν υπολογιστή στο σπίτι που μπορεί να μας παρουσιάζει τις διάφορες λειτουργίες ή από το μικρόφωνο.
Μέσω ομιλίας που δέχονται συστοιχίες μικροφώνων μέσα στο σπίτι.
Σχήμα 1.1: Το έξυπνο σπίτι
1.5 Τεχνολογίες του έξυπνου σπιτιού
Οι τεχνολογίες του έξυπνου σπιτιού, χωρίζονται σε κατηγορίες ανάλογα με το φυσικό μέσο που χρησιμοποιούν για να μεταφερθούν πληροφορίες ή εντολές. Πιο συγκεκριμένα έχουμε:
Μεταφορά δεδομένων ασύρματα. Χρησιμοποιούνται σε σπίτια που έχουν κλασσική ηλεκτρική υποδομή, όπου το κόστος είναι αρκετά υψηλό ώστε να περαστούν καλώδια και πληροφορίες. Με την χρήση της ασύρματης δικτύωσης το κύκλωμα ελέγχου της εφαρμογής αποκτά μεγάλη ευελιξία και μπορεί να τοποθετηθεί σε οποιοδήποτε σημείο, όπως για παράδειγμα κοντά στην εφαρμογή για τον έλεγχο της, κάνοντας την τοποθέτησή του ευκολότερη. Τα ασύρματα δίκτυα χρησιμοποιούν κανάλια ραδιοσυχνοτήτων ως φυσικό μέσο για την επικοινωνία τους. Κάθε κόμβος του δικτύου μεταδίδει πληροφορία η οποία μπορεί να ληφθεί από όλους τους κόμβους οι οποίοι βρίσκονται εντός του άμεσου εύρους μετάδοσης. Επειδή οι κόμβοι μεταδίδουν και λαμβάνουν πληροφορίες μέσω του αέρα, δεν χρειάζεται να είναι φυσικά συνδεδεμένοι σε κάποιο δίκτυο. Έτσι, αυτά τα δίκτυα προσφέρουν δυνατότητα σύνδεσης δεδομένων μαζί με δυνατότητα κίνησης των συσκευών. Σήμερα, είναι
διαθέσιμα εξαιρετικά προηγμένα συστήματα επικοινωνιών. Οι ασύρματες επικοινωνίες είναι από τις γρηγορότερα αναπτυσσόμενες βιομηχανίες στον κόσμο. Η βιομηχανία των ασύρματων επικοινωνιών έχει διάφορα πεδία όπως η κυτταρική τηλεφωνία, τα ασύρματα LANs και τα δίκτυα επικοινωνίας τα οποία βασίζονται σε δορυφόρους. Ωστόσο, το κύριο μέρος της ανάπτυξης της ασύρματης βιομηχανίας βασίζεται στα δίκτυα με κυτταρική δομή.
Μεταφορά σημάτων μέσω χαλκού (ενσύρματα). Σε καινούργιες κατασκευές υπάρχει δυνατότητα επιλογής τεχνολογίας μεταφοράς σημάτων μέσω χαλκού. Σε αυτές τις εγκαταστάσεις από τη στιγμή που υπάρχουν αναλυτικά σχέδια και δεδομένες ανάγκες του ιδιοκτήτη μπορούν να εξυπηρετηθούν πληθώρα αυτοματισμών.
Σχήμα 1.2: Ασύρματη σύνδεση συσκευών
Τα παραδείγματα που ακολουθούν αφορούν τεχνολογίες μεταφοράς δεδομένων μέσω χαλκού και μέσω ασύρματης επικοινωνίας(IR, RADIO).
Μπορούμε να ρυθμίζουμε τηλεφωνικώς την επιθυμητή θερμοκρασία του σπιτιού και να ενημερωνόμαστε τηλεφωνικώς ανά πάσα στιγμή σε ποια θερμοκρασία βρίσκεται το σπίτι μας, με ηχητικό μήνυμα.
Μπορούμε να πληροφορηθούμε με μήνυμα στο κινητό τηλέφωνό μας (SMS) για γεγονότα που συμβαίνουν στο σπίτι μας όταν εμείς λείπουμε, π.χ. το καλοριφέρ έφερε τη θερμοκρασία στο επιθυμητό σημείο, κάποιος παραβίασε το σπίτι μας κλπ.
Μπορούμε να ελέγξουμε το σπίτι μας μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή. Αυτός μπορεί να βρίσκεται είτε μέσα στο σπίτι είτε οπουδήποτε αλλού, συνδεόμενος είτε με απ’ ευθείας τηλεφωνική κλήση προς το τηλέφωνο του σπιτιού είτε μέσω του διαδικτύου (Internet). Μέσω υπολογιστή έχουμε οπτική επαφή των λειτουργιών του σπιτιού (εάν ένα φως είναι αναμμένο, εάν ο γενικός διακόπτης του νερού είναι ανοιχτός).
Εάν ο ήλιος καίει, το σύστημα θα κατεβάσει την ηλεκτρική τέντα χωρίς ο ένοικος να ασχοληθεί με αυτό. Εάν ο άνεμος απειλεί να σχίσει την τέντα, τότε θα την μαζέψει και θα κατεβάσει το ρολό για να την προστατέψει.
Σε περίοδο διακοπών μπορούμε να ρυθμίσουμε τις ώρες ποτίσματος των φυτών. Επίσης, εκτός από τη ρύθμιση των ωρών ποτίσματος, μπορούμε να λάβουμε υπόψη μας και άλλους παράγοντες όπως τη βροχή ώστε να μην εκτελέσει το πότισμα και την υψηλή θερμοκρασία ώστε να παραταθεί ο χρόνος ποτίσματος.
Δυνατότητα μεταφοράς εικόνας σε οποιαδήποτε τηλεοπτική συσκευή.
1.6 Απαιτήσεις λειτουργίας και κατασκευής του έξυπνου σπιτιού
Το έξυπνο σπίτι θα πρέπει να έχει κάποια χαρακτηριστικά, όπως η ασφάλεια, η οικονομία, ο χειρισμός από απόσταση καθώς και από την ευκολία της εγκατάστασης.
Ο ιδιοκτήτης μιας τέτοιας οικίας θα πρέπει να έχει έντονο το συναίσθημα της ασφάλειας τόσο κατά τις ώρες στις οποίες βρίσκεται σε αυτό, όσο και κατά τις ώρες που αυτός απουσιάζει. Τα συστήματα του σπιτιού θα πρέπει να είναι αξιόπιστα ως προς την εκτέλεση σεναρίων, για την αποφυγή ανεπιθύμητων καταστάσεων.
Το έξυπνο σπίτι παρέχει τη δυνατότητα της οικονομίας. Τα φώτα στους εξωτερικούς χώρους για παράδειγμα, θα πρέπει να μπορούν να σβήσουν αυτόματα το πρωί. Επιπλέον, κατά τις ώρες που κανείς δεν βρίσκεται στο σπίτι, δεν υπάρχει κανείς λόγος να είναι ο θερμοσίφωνας ανοιχτός – εκτός αν κάποιος πλησιάζει στο σπίτι και έχει δώσει την αντίστοιχη εντολή. Επίσης, όταν δεν είναι κανείς στο σπίτι, η εσωτερική θερμοκρασία του σπιτιού μπορεί να διατηρείται σε κάποιο επιθυμητό επίπεδο για την εκάστοτε εποχή.
Το έξυπνο σπίτι χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι μπορεί να ελεγχθεί από απόσταση. Ο χρήστης έχει την δυνατότητα να βρίσκεται εκτός του σπιτιού, και να έχει τον πλήρη έλεγχο του. Ο έλεγχος μπορεί να γίνει από σταθερό ή κινητό τηλέφωνο αλλά και μέσω του διαδικτύου χρησιμοποιώντας έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή. Στέλνοντας ένα μήνυμα από το κινητό, γράφοντας μια εντολή σε κατάλληλη μορφή για το σύστημα, αυτό θα μπορεί να απαντήσει, στέλνοντας την απάντηση μέσω μηνύματος. Για παράδειγμα μπορούμε να στείλουμε ένα μήνυμα και να ρωτήσουμε την θερμοκρασία του σπιτιού, το σύστημα θα λάβει την εντολή και θα στείλει την κατάλληλη απάντηση, ή να ρωτήσουμε αν κάποιο φως ή κάποια πόρτα είναι ανοιχτή. Ειδικότερα, με την αξιοποίηση της νέας γενιάς κινητών, ο χρήστης θα μπορεί να έχει ακόμη και εικόνα μέσα και έξω από το σπίτι.
Ένα τελευταίο χαρακτηριστικό του έξυπνου σπιτιού είναι η ευκολία εγκατάστασης. Όσο πιο εύκολη είναι η εγκατάσταση τόσο πιο πολλά σπίτια θα γίνονται έξυπνα, και τόσο περισσότερο οι αντίστοιχες τεχνολογίες θα αναπτύσσονται.
1.7 Τρόπος υλοποίησης του έξυπνου σπιτιού στην πτυχιακή
Οι τρόποι με τους οποίους μπορούμε υλοποιήσουμε και να ελέγχουμε τις λειτουργίες του έξυπνου σπιτιού μπορούν να ποικίλουν όπως αναφέρθηκε προηγουμένως. Ωστόσο, η παρούσα πτυχιακή εργασία έχει ως σκοπό να παρουσιάσει το πώς μπορούμε ελέγχουμε τις λειτουργίες του έξυπνου σπιτιού με τη βοήθεια ασύρματων τεχνολογιών όπως το GSM από την τηλεφωνική μας συσκευή. Για αυτό το λόγο, στα επόμενα κεφάλαια θα παρουσιάζουμε το δίκτυο GSM και θα προτείνουμε πρακτικές εφαρμογές πάνω στο έξυπνο σπίτι.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - ΔΙΚΤΥΟ GSM 2.1 Εισαγωγή
Το κεφαλαίου αυτό έχει ως σκοπό να παρουσιάσει τα βασικά χαρακτηριστικά του πιο ευρέως διαδεδομένου κυψελωτού συστήματος κινητών επικοινωνιών, του GSM (Global System for Mobile communications). Επιπλέον, γίνεται παρουσίαση της αρχιτεκτονικής ενός GSM συστήματος, ενώ παράλληλα περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά ασφάλειας του GSM.
2.2 Τηλεφωνία κυψέλης
Τα συστήματα τηλεφωνίας κυψέλης είναι ασύρματα συστήματα που λειτουργούν με βάση τη μετάδοση πληροφοριών. Συνεπώς, αντί να υπάρχει μία υπηρεσία μετάδοσης για πολλούς χρήστες γύρω από μια περιοχή κάλυψης, η καλυπτόμενη περιοχή διαιρείται σε μικρότερες περιοχές γνωστές ως κελιά ή κυψέλες. Κάθε κυψέλη διαθέτει ένα σταθερό σύστημα πομπού – δέκτη, γνωστό ως σταθμός βάσης.
Ο χρήστης ενός συστήματος κυψέλης επικοινωνεί με το σταθμό βάσης για να πραγματοποιήσει μία κλήση, φωνητική ή δεδομένων. Τότε, ο σταθμός βάσης διανέμει την κλήση είτε προς το τερματικό σημείο ενός δικτύου ή προς έναν άλλο χρήστη του δικτύου κυψέλης.
Ο χρήστης του δικτύου ονομάζεται συνδρομητής. Ο συνδρομής έχει τη δυνατότητα να κινείται ή να είναι σταθερός. Αν ο συνδρομητής κινείται, το δίκτυο πρέπει να μπορεί να χειριστεί την περίπτωση κατά την οποία ο συνδρομητής μετακινείται από μία κυψέλη σε άλλη. Για να διασφαλιστεί ότι η κλήση δεν θα τερματιστεί κατά τη μετακίνηση, πληροφορίες σχετικές με τον κινούμενο σταθμό γίνονται γνωστές στους σταθμούς βάσης που εμπλέκονται στην περίπτωση. Γι' αυτόν, αλλά και για άλλους λόγους, υπάρχει κάποια επικοινωνία στο δίκτυο η οποία συνδέει τους σταθμούς βάσης.
Ένα δίκτυο κυψέλης αποτελείται από πολλές κυψέλες σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική διάταξη. Ένας σταθμός βάσης χρησιμοποιεί διαφορετικές συχνότητες επικοινωνίας από αυτές που χρησιμοποιούν οι σταθμοί βάσης των γειτονικών κυψελών. Αυτό αυξάνει τον παράγοντα επαναχρήσεως συχνότητας, που αντιπροσωπεύει τον ελάχιστο αριθμό συχνοτήτων που απαιτούνται για ένα δίκτυο
κυψέλης για να εξασφαλίσει ότι η ομοσυχνοτική παρεμβολή βρίσκεται κάτω από ένα ανεκτό επίπεδο.
Σχήμα 2.1: Αναπαράσταση κελιών
2.3 Δίκτυο GSM
Το Global System for Mobile communications (GSM) είναι το πιο διαδεδομένο κυψελωτό σύστηµα κινητών επικοινωνιών στην Ευρώπη. Το Ευρωπαϊκό Τηλεπικοινωνιακό Συμβούλιο (European Telecommunications Standards Institute) το 1982 άρχισε την μελέτη για την δημιουργία ενός κοινού Ευρωπαϊκού ψηφιακού συστήματος κινητής τηλεφωνίας δεύτερης γενιάς 2G. Αυτό το σύστημα ονομάστηκε αρχικά Group Special Mobile (GSM). Το GSM είναι ένα κυψελοειδές ψηφιακό σύστημα κινητής τηλεφωνίας δεύτερης γενιάς 2G, το οποίο χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητικά σήματα και την τεχνική πολλαπλής πρόσβασης με διαχωρισμό του διαθέσιμου φάσματος συχνοτήτων σε ένα αριθμό καναλιών και την διαίρεση αυτών σε χρονοθυρίδες για την μετάδοση σημάτων.
Ένα σύστημα πού κάνει χρήση της τεχνικής αυτής παρουσιάζει τα εξής πλεονεκτήματα:
Καλύτερη εκμετάλλευση του φάσματος, άρα μεγαλύτερη χωρητικότητα καναλιών σε κάθε κυψέλη.
Ψηφιακή τεχνολογία που κάνει μικρότερα, ελαφρύτερα και φτηνότερα τα κινητά τηλέφωνα.
Καλύτερη ποιότητα φωνής
Συμβατότητα με όλα τα διεθνή πρότυπα και ενσύρματα δίκτυα .
Ευρεία αποδοχή διεθνώς και εξάπλωση.
Το 1989 η ευθύνη του GSM ανατέθηκε στο Ευρωπαϊκό Τηλεπικοινωνιακό Ινστιτούτο Προτύπων (ETSI) και το 1990 ανακοινώθηκαν επίσημα για πρώτη φορά το πρότυπο και τα χαρακτηριστικά του GSM. Το 1991 άρχισε η εμπορική του διάθεση στην Ευρώπη, ενώ στην Ελλάδα το σύστημα χρησιμοποιήθηκε το 1993 από την WIND Hellas. Tο πρότυπο GSM δεν είναι μόνο Ευρωπαϊκό πρότυπο, αφού υιοθετήθηκε από πολλές άλλες χώρες των άλλων Ηπείρων, εκμεταλλευόμενο διάφορες ζώνες συχνοτήτων.
Σχήμα 2.2: Αναπαράσταση τηλεφωνικού κυψελωτού δικτύου
2.4 Υπηρεσίες του GSM
Ως τηλεπικοινωνιακή υπηρεσία που υποστηρίζεται από σύστημα GSM ορίζεται ως ένα σύνολο από δυνατότητες επικοινωνίας, τις οποίες ο φορέας παροχής υπηρεσιών προσφέρει στους συνδρομητές. Υπάρχουν δύο ειδών υπηρεσίες που προσφέρει στους συνδρομητές του το GSM:
Υπηρεσίες τηλεφωνίας. Οι υπηρεσίες τηλεφωνίας είναι υπηρεσίες ομιλίας που δίνουν στον συνδρομητή τη δυνατότητα να επικοινωνεί με άλλους συνδρομητές.
Υπηρεσίες δεδομένων. Οι υπηρεσίες δεδομένων δίνουν την απαραίτητη χωρητικότητα για να μεταδοθούν τα κατάλληλα σήματα δεδομένων μεταξύ δύο σημείων πρόσβασης δημιουργώντας διασύνδεση με το δίκτυο.
Επίσης, το δίκτυο GSM υποστηρίζει ένα σύνολο από συμπληρωματικές υπηρεσίες που μπορούν να υποστηρίξουν τις δύο βασικές υπηρεσίες, τηλεφωνίας και δεδομένων. Μερικές από αυτές είναι:
i. Προώθηση κλήσεων ii. Φραγή κλήσεων iii. Κράτηση κλήσης iv. Αναμονή κλήσης
v. Υπηρεσία φωνητικών μηνυμάτων vi. Υπηρεσία γραπτών μηνυμάτων κλπ.
Το σύστημα GSM προσφέρει την ευκαιρία στους συνδρομητές του, να περιπλανηθούν ελεύθερα ανάμεσα σε χώρες, οπουδήποτε ένα GSM δίκτυο λειτουργεί.
2.5 Τεχνικά Χαρακτηριστικά του GSM
Το GSM είναι ένα κυψελοειδές δίκτυο, στο οποίο οι κινητοί σταθμοί (κινητά τηλέφωνα) συνδέονται με αυτό αναζητώντας σταθμούς βάσης στην άμεση γειτνίαση.
Το GSM λειτουργεί σε τέσσερις διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων.
850 MHz
900 MHz
1800 MHz
1900 MHz
Τα περισσότερα δίκτυα GSM λειτουργούν στις ζώνες των 900 MHz και 1800 MHz. Στο GSM υπάρχουν δύο τύποι καναλιών, τα κανάλια κίνησης και τα κανάλια ελέγχου.
Τα κανάλια κίνησης τα οποία μεταφέρουν τις πληροφορίες ομιλίας και δεδομένων.
Τα κανάλια ελέγχου που μεταφέρουν πληροφορίες αναγνώρισης, πρόσβασης και συγχρονισμού του κινητού σταθμού με το δίκτυο, καθώς και σήματα που σχετίζονται με την επιλογή και διατήρηση του καναλιού κίνησης.
Στη ζώνη των 1800 MHz διατηρείται η δομή του GSM 900 δικτύου, με διαφορετικά όμως ζεύγη συχνοτήτων, από τα 1710 έως τα 1785 MHz ανοδικής ζεύξης και από τα 1805 έως τα 1880 MHz καθοδικής ζεύξης. Οι περιοχές των 75 MHz υποδιαιρούνται η καθεμία σε 374+1 κανάλια και κάθε κανάλι έχει εύρος ζώνης 200KHz. Ο λόγος της αλλαγής στην ζώνη συχνοτήτων έγινε γιατί οι ζώνες του GSM 900 στην Ευρώπη, ήταν δεσμευμένες από παροχείς κινητής τηλεφωνίας. Στη χώρα μας οι εταιρείες κινητής τηλεφωνίας χρησιμοποιούν και τα δύο συστήματα, το GSM 900 και το GSM 1800, αυξάνοντας σημαντικά τη χωρητικότητά στα δίκτυα τους.
Το GSM χρησιμοποιεί Πολλαπλή Πρόσβαση με Διαίρεση Χρόνου (TDMA) και Διαίρεση Συχνότητας (FDMA) . Με αυτόν τον τρόπο μπορούν να πραγματοποιούνται την ίδια χρονική στιγμή και στην ίδια συχνότητα πολλές συνδιαλλαγές χρησιμοποιώντας διαφορετικές χρονικές σχισμές (timeslots). Οι τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης αναφέρονται λεπτομερώς παρακάτω:
Πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης συχνότητας Frequency Division Multiple Access (FDMA). Τα συστήματα διαίρεσης συχνότητας λειτουργούν με κάθε σταθμό βάσης σε μια ομάδα κελιών να καταλαμβάνει ξεχωριστή συχνότητα και στις δύο ζώνες εκπομπής και λήψης με κάθε ζώνη να εξυπηρετεί έναν συνδρομητή. Κατά τη διάρκεια της κλήσης, δεν μπορεί άλλος χρήστης να χρησιμοποιήσει τον ίδιο ραδιοδίαυλο. Τα μειονεκτήματα της FDMA, όπως είναι η χαμηλή απόδοση του φάσματος, η αδυναμία της σε βλάβες των διαύλων και η μη αποτελεσματικότητά της σε υπηρεσίες πολυμέσων/πολλαπλών ρυθμών μετάδοσης, την κάνουν ακατάλληλη για συστήματα κινητών και προσωπικών επικοινωνιών υψηλής χωρητικότητας.Η πρόσβαση FDMA χρησιμοποιείται πρωτίστως στα κυψελωτά συστήματα πρώτης γενιάς.
Σχήμα 2.3: Πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης συχνότηταςFDMA
Πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης χρόνου Time Division Multiple Access (TDMA). Τα συστήματα διαίρεσης χρόνου αξιοποιούν το φάσμα με παρόμοιο τρόπο με τα συστήματα διαίρεσης συχνότητας, με τον κάθε σταθμό βάσης σε μια ομάδα να καταλαμβάνει ξεχωριστή συχνότητα εκπομπής και λήψης.
Επίσης, κάθε μια από τις δύο φασματικές ζώνες κατανέμεται στο χρόνο σε κάθε χρήστη κατά κυκλικό τρόπο. Αντίθετα με τα συστήματα FDMA, που χρησιμοποιείται αναλογική μετάδοση FM, στα συστήματα TDMA χρησιμοποιούνται ψηφιακά δεδομένα και ψηφιακή διαμόρφωση.
Σχήμα 2.4: Πολλαπλή πρόσβασηδιαίρεσης χρόνου FDMA
Πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης κώδικα Code Division Multiple Access (CDMA). Τα συστήματα πολλαπλής πρόσβασης διαίρεσης κώδικα αντιπροσωπεύονται από δύο τύπους: αναπήδησης συχνότητας και άμεσης ακολουθίας. Η διαίρεση κώδικα που χρησιμοποιεί αναπήδηση συχνότητας εμπλέκει έναν χρήστη ο οποίος μεταδίδει μέσω πολλών συχνοτήτων συνεχώς στο χρόνο. Τα συστήματα αναπήδησης συχνότητας περιορίζονται από τον συνολικό αριθμό των διαθέσιμων συχνοτήτων προς μετάβαση. Αν δύο χρήστες μεταπηδήσουν στην ίδια συχνότητα ταυτόχρονα, θα παρεμβάλλουν ο ένας με τον άλλο. Τα συστήματα άμεσης ακολουθίας λειτουργούν διαμορφώνοντας το σήμα πληροφορίας του χρήστη με μία ακολουθία γνωστή σε πομπό και δέκτη. Αυτή η ακολουθία παράγεται με ρυθμό κατά πολύ υψηλότερο από το σήμα του χρήστη, απλώνοντας κυριολεκτικά το εύρος ζώνης του σήματος του χρήστη. Όλα τα εμπορικά κυψελοειδή συστήματα διαίρεσης κώδικα χρησιμοποιούν την άμεση ακολουθία ανθιστάμενα στην τεχνολογία αναπήδησης συχνότητας.
Αυτές οι τρείς κατηγορίες περιγράφουν την εξέλιξη σχεδόν όλων των συστημάτων κυψέλης ανά τον κόσμο.
2.6 Τεχνολογία GPRS (General Packet Radio Service)
Η υπηρεσία GPRS είναι ένα τεχνολογικό πρότυπο που έχει σκοπό τη ταχύτερη αποστολή δεδομένων κινητής τηλεφωνίας, για τους χρήστες της 2G κυψελοειδών συστημάτων επικοινωνίας (GSM) καθώς και στα συστήματα 3G. Τα συστήματα κινητής τηλεφωνίας 2G σε συνδυασμό με GPRS περιγράφεται ως 2,5 G, δηλαδή μια τεχνολογία μεταξύ της δεύτερης (2G) και τρίτης (3G) γενιάς της κινητής τηλεφωνίας.
Η 2.5G είναι η μεταβατική διαδικασία αναβάθμισης των υπαρχόντων δικτύων GSM 2G με σκοπό την αύξηση χωρητικότητας του δικτύου προσφέροντας περισσότερες και ποιοτικότερες υπηρεσίες προστιθέμενης αξίας.
Το GPRS (General Packet Radio Service) είναι το τεχνολογικό πρότυπο που επιτρέπει την ταχύτερη αποστολή και λήψη δεδομένων μέσω των δικτύων κινητής τηλεφωνίας GSM. Οι πόροι του δικτύου χρησιμοποιούνται πιο αποδοτικά γιατί οι χρονοθύριδες δεσμεύονται μόνο κατά την ώρα μετάδοσης και αποδεσμεύονται όταν τελειώνει η μετάδοση.
2.7 Βασικά μέρη του GSM
Τρία είναι τα βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται ένα δίκτυο GSM. Ο κινητός σταθμός (Mobile station), το υποσύστημα σταθμών βάσης (Base station system) και το υποσύστημα μεταγωγής (NSS - Network Switching System).
Κινητός Σταθμός (Mobile Station). Ο κινητός σταθμός περιλαμβάνει τον φυσικό εξοπλισμό που χρησιμοποιείται από το συνδρομητή για να έχει πρόσβαση σε ένα PLMN δίκτυο και στις προσφερθείσες τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες του. Αποτελείται από τον πομπό-δέκτη, την κεραία, την οθόνη και την κάρτα SIM. Η μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύς εκπομπής στην Ευρώπη μιας κινητής μονάδας είναι στα 2 Watt ενώ σε Αυστραλία και Αμερική είναι 1,6W.
Το Βασικό Υποσύστημα Σταθμού Βάσης (Base Station Subsystem). Το βασικό υποσύστημα σταθμού διαχειρίζεται τις κλήσεις σε μια γεωγραφική περιοχή που καλύπτεται από κεραίες διαφόρων μεγεθών σε σειρά (σε λόφους, ταράτσες πολυκατοικιών, εταιριών, σχολείων, οργανισμών κτλ) και κάθε τέτοια κεραία εξυπηρετεί και από μια κυψέλη. Το Βασικό Υποσύστημα Σταθμού χωρίζεται στο βασικό σταθμό πομπό-δέκτη Base Transceiver Station
(ΒΤS) και στο βασικό σταθμό ελέγχου Base Station Controller (ΒSC). Το Βασικό Υποσύστημα Σταθμού (BTS) φροντίζει την επικοινωνία μεταξύ του δικτύου GSM και του κινητού σταθμού.
Το Υποσύστημα Δικτύου Μεταγωγής (NNS - Network Switching Subsystem). Το υποσύστημα Δικτύου μεταγωγής περιλαμβάνει τις κύριες λειτουργίες μεταγωγής του GSM, τις απαιτούμενες βάσεις δεδομένων για τους συνδρομητές και τη διαχείριση κινητικότητας. Ο ρόλος του είναι να διαχειρίζεται την επικοινωνία μεταξύ του GSM και άλλων τηλεπικοινωνιακών φορέων. Είναι υπεύθυνο για την διασύνδεση, τον έλεγχο και την δρομολόγηση εισερχόμενων και εξερχόμενων κλήσεων μεταξύ του δικτύου κινητής τηλεφωνίας και ενός άλλου ή άλλων δικτύων .
2.8 Ασφάλεια στο GSM
Ο σκοπός του συστήματος ασφαλείας του GSM ήταν να εξασφαλίσει σωστή χρέωση των τηλεφωνικών κλήσεων. Η πιστοποίηση του χρήστη στο GSM βασίζεται σε ένα μυστικό κλειδί το οποίο είναι αποθηκευμένο στην κάρτα SIM, η οποία βρίσκεται τοποθετημένη μέσα στο κινητό τηλέφωνο. Ένας αλγόριθμος κρυπτογράφησης χρησιμοποιείται προκειμένου να προστατέψει την ταυτότητα του χρήστη. Ένας άλλος αλγόριθμος χρησιμοποιείται για να εξασφαλίσει την ασφάλεια της τηλεφωνικής κλήσης κατά τη μετάδοση της και τη μεταφορά δεδομένων από και προς τον χρήστη του συστήματος.
Σχήμα 2.5: Κλειδί κάρτας SIM
Στο GSM αφού ενεργοποιηθεί το τηλέφωνο και η κάρτα SIM, δεν απαιτείται καμία άλλη ενέργεια από τον χρήστη. Η ίδια βασική αρχιτεκτονική υιοθετήθηκε από τα τρίτης γενιάς κυψελωτά συστήματα. Επίσης, αρκετές αλλαγές έγιναν σε αυτήν για να μπορέσει να ανταποκριθεί στις νέες ανάγκες του τηλεπικοινωνιακού δικτύου ώστε να διασφαλίσει την ασφάλεια της επικοινωνίας και να ανταποκριθεί σε άλλου είδους ποικίλες υπηρεσίες.
Οι αλγόριθμοι κρυπτογράφησης που χρησιμοποιούνται στο GSM έχουν τύχει μεγάλου ενδιαφέροντος και δραστηριότητας από τα μέλη της ερευνητικής κοινότητας και πολλά αδύνατα σημεία έχουν εντοπιστεί. Ωστόσο, οι μέθοδοι ασφάλειας και πιστοποίησης που εφαρμόζονται σε ένα GSM σύστημα σήμερα το καθιστούν αυτή τη στιγμή το πιο ασφαλές κυψελωτό τηλεπικοινωνιακό δίκτυο διαθέσιμο ιδιαίτερα σε σύγκριση με τα παλιότερα αναλογικά συστήματα επικοινωνιών. Ένα μεγάλο μέρος της ασφάλειας που παρέχει οφείλεται στο γεγονός ότι πρόκειται για ένα ψηφιακό σύστημα, κάνοντας χρήση αλγορίθμου κωδικοποίησης πηγής (speech coding algorithm), διαμόρφωσης GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), μικρής μεταπήδησης συχνότητας (slow frequency hopping) και πολυπλεξίας με διαίρεση χρόνου (Time Division Multiple Access) - (TDMA).
2.9 Κάρτα SIM
Ένα από τα χαρακτηριστικά του συστήματος GSM είναι η Μονάδα Ταυτότητας Συνδρομητή γνωστή ως κάρτα SIM (Subscriber Identity Module). Η κάρτα SIM είναι η έξυπνη κάρτα (ακολουθεί τα πρότυπα ISO) που παρέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες που σχετίζονται με το συνδρομητή και αποθηκεύονται από την πλευρά αυτού. Η SIM υλοποιεί και λειτουργίες ασφαλείας όπως:
Πιστοποίηση της ταυτότητας του συνδρομητή.
Κρυπτογράφηση.
Προστασία της ταυτότητας του συνδρομητή.
Σχήμα 2.6: Κάρτα SIM
Τα πλεονεκτήματα της SIM είναι πολλά και ένα από τα βασικότερα είναι το ότι κάθε χρήστης μπορεί να δανείσει ή να δανειστεί ένα κινητό για ένα μικρό διάστημα, χωρίς να χάσει τη δυνατότητα πρόσβασης στο δίκτυο, με την χρήση της προσωπικής του κάρτας. Με αυτόν τον τρόπο ο συνδρομητής αποκτά μια αυτονομία σε σχέση με τη συσκευή. Μια κάρτα SIM διαθέτει:
Έναν μικροεπεξεργαστή.
Μια μνήμη ROM. Περιέχει κρυπτογραφημένα στοιχεία που χαρακτηρίζουν την SIM και τον συνδρομητή (όπως για παράδειγμα ο σειριακός αριθμός, η έκδοση του λειτουργικού συστήματος κ.α.), την κατάσταση της SIM (δηλαδή αν είναι κλειδωμένη ή όχι) και τον προσωπικό αριθμό αναγνώρισης IMSI (International Mobile Subscriber Identity) ο οποίος εκπέμπεται όταν ανοίξουμε ή κλείσουμε το κινητό για να φαίνεται στο δίκτυο αν είναι ενεργοποιημένο ή όχι έτσι ώστε να μη γίνονται άσκοπες κλήσεις και καταλήψεις καναλιών επικοινωνίας.
Μια μνήμη EEPROM. Επιτρέπει στον χρήστη να αποθηκεύει δικά του δεδομένα όπως νέο προσωπικό κωδικό PIN, τηλεφωνικό κατάλογο κ.α.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - ΤΗΛΕΧΕΙΡΙΣΜΟΣ ΟΚΤΩ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΜΕΣΩ ΤΗΛΕΦΩΝΟΥ ΣΕ ΔΙΚΤΥΟ GSM
3.1 Εισαγωγή
Σκοπός αυτού του κεφαλαίου είναι εξετάσουμε θεωρητικά και να δούμε πρακτικά, πώς μπορούμε να ελέγχουμε της λειτουργίες ενός έξυπνου σπιτιού με την χρήση δικτύου κινητής τηλεφωνίας GSM. Θα παρουσιάσουμε ένας κύκλωμα που μπορεί να ελέγχει από μακριά τη λειτουργία οκτώ διαφορετικών συσκευών. Αυτό όπως θα δούμε μπορεί να πραγματοποιηθεί καλώντας τον αριθμό τηλεφώνου της κάρτας SIM που έχουμε τοποθετήσει στο σύστημα μας, και πατώντας τα πλήκτρα του τηλεφώνου με το οποίο καλούμε (σταθερό ή κινητό), θα δίνουμε εντολές στις συνδεμένες συσκευές να ανοίξουν ή να κλείσουν. Η επικοινωνία γίνεται μέσω GSM και έτσι μπορεί να τοποθετηθεί σε εξοχικά σπίτια ή εργοτάξια που δεν διαθέτουν σταθερή τηλεφωνική γραμμή. Στο πείραμα που θα πραγματοποιήσουμε θα ελέγξουμε το φωτισμό του σπιτιού, τη θέρμανση, την ψύξη, τον θερμοσίφωνα, το πλυντήριο ρούχων το πότισμα του κήπου, το άνοιγμα και το κλείσιμο των ρολών της τέντας και το συναγερμό.
3.2 Γενική περιγραφή συστήματος
Η κατασκευή αυτή έχει τη δυνατότητα να ελέγχει από μακριά τη λειτουργία οκτώ διαφορετικών συσκευών π.χ. θερμαντικά σώματα, θερμοσίφωνα, αυτόματο πότισμα κλπ, με τη βοήθεια ηλεκτρονόμων (relays).
Η Κατασκευή χρησιμοποιεί την απλή ψηφιακή τηλεφωνική γραμμή με την οποία συνδέεται παράλληλα. Για να αποφύγουμε τυχαίες ενεργοποιήσεις, έχουμε εξοπλίσει το ηλεκτρονικό κύκλωμα με κωδικό πρόσβασης. Κάθε εντολή που φτάνει και εκτελείτε από τη συσκευή επιβεβαιώνεται με αντίστοιχο ηχητικό σήμα.
Ο χειρισμός αυτής της συσκευής είναι απλός αφού ο χρήστης επικοινωνεί μαζί της πατώντας κάθε φορά το κατάλληλο πλήκτρο στην τηλεφωνική συσκευή. Το μόνο που πρέπει κανείς να προσέξει είναι η τηλεφωνική γραμμή που, όπως είδη αναφέραμε, πρέπει να είναι ψηφιακή, δηλαδή να λειτουργεί με τόνο (τονικό σύστημα) και όχι με παλμό (όπως οι παλιές αναλογικές γραμμές).
3.3 Τεχνικά χαρακτηριστικά
Η κατασκευής που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο και τη λειτουργία των συσκευών πάνω σε δίκτυο GSM, αποτελείται από τα εξής χαρακτηριστικά:
Σύστημα ελέγχου (on - off) οκτώ συσκευών μέσω τηλεφώνου.
Ηχητική επιβεβαίωση κατάστασης συσκευής.
Τροφοδοσία 12 VDC / 0,5A
Έξοδοι από ηλεκτρονόμους επαφής 220V / 10A
Ηλεκτρικός πίνακας
3.4 Λειτουργία του κυκλώματος
Το κύκλωμα αποτελείται από τέσσερα βασικά τμήματα που μπορούμε να διακρίνουμε εύκολα κοιτάζοντας το ηλεκτρονικό σχέδιο.
1. Το πρώτο τμήμα είναι το κύκλωμα τροφοδοσίας. Χρησιμοποιεί το σταθεροποιητή τάσης LM7805 (U1), για να πετύχει σταθερή τάση στα +5volts.
2. Το δεύτερο τμήμα είναι το κύκλωμα αναγνώρισης και επεξεργασίας παλμών τονικού τηλεφωνικού συστήματος, γνωστό και ως DTMF (πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης συχνότητας). Αυτή η λειτουργία επιτυγχάνεται με το ολοκληρωμένο HT9170 (U3).
3. Το τρίτο τμήμα που είναι και η καρδιά του κυκλώματος, αποτελείτε από το μικροελεγκτή PIC16C57. Ο μικροελεγκτής είναι απαραίτητος, για να εκτελεί το πρόγραμμα που ελέγχει το υπόλοιπο ηλεκτρονικό κύκλωμα. Τα δεδομένα του προγράμματος έχουν καταχωρηθεί σε μια μνήμη στο ολοκληρωμένο 93C46 (U4).
4. Τέλος το κύκλωμα διαθέτει μια σειρά από οκτώ όμοια κυκλώματα ηλεκτρονόμων (relays). Ο καθένας έχει τη δυνατότητα να ενεργοποιήσει (on) ή να απενεργοποιήσει (off) τη συσκευή, η οποία είναι συνδεμένη με τον ηλεκτρονόμο ανάλογα με τις εντολές που θα δεχτεί από το μικροελεγκτή.
Διάγραμμα 3.1: Ηλεκτρονικό σχέδιο συστήματος
3.5 Σταθεροποιητής τάσης LM 7805
Στα ηλεκτρονικά κυκλώματα χρειαζόμαστε μία σταθερή τάση κατάλληλης έντασης για την ομαλή λειτουργία των κυκλωμάτων και των ηλεκτρονικών στοιχείων όπως είναι οι μικροελεγκτές και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα που χρειάζονται σταθερή τάση τροφοδοσίας.
Σταθερή τάση μπορούμε να πετύχουμε με ηλεκτρονικά στοιχεία που ονομάζονται σταθεροποιητές τάσης (voltage regulators) . Για παράδειγμα οι σταθεροποιητές τύπου LMxxxx μπορούν να σταθεροποιήσουν την τάση στα 5, 6, 8, 12 volt. Επειδή χρειάζεται να σταθεροποιήσουμε την τάση στα 5 Volt επιλέγουμε το LM7805.
Σχήμα 3.1: Κύκλωμα με το LM7805 καθώς και οι ακροδέκτες που αντιστοιχούν στο κύκλωμα
3.6 Ολοκληρωμένο HT9170
Με το ολοκληρωμένο HT9170 επιτυγχάνεται η υλοποίηση και η λειτουργία του κυκλώματος αναγνώρισης και επεξεργασίας παλμών τονικού τηλεφωνικού συστήματος DTMF (Πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης συχνότητας). Το ολοκληρωμένο HT9170 IC ανιχνεύει και αποκωδικοποιεί τα 16 τόνους DTMF σε 4 bit εξόδου. Σε περίπτωση που οι ήχοι δεν έχουν εντοπιστεί, τα τέσσερα bits εξόδου παραμένουν σε χαμηλά επίπεδα. Ο πείρος DV πηγαίνει ψηλά στην ανίχνευση ενός έγκυρου τόνου.
Σχήμα 3.2: Ολοκληρωμένο HT9170
Περιγραφή λειτουργίας HT9170
Αριθμός Λειτουργία Όνομα
1 Λειτουργικός ενισχυτής είσοδος μη αναστροφής VP 2 Λειτουργικός ενισχυτής αναστρέφουσα είσοδος VN 3 Επιχειρησιακό τερματικό εξόδου του ενισχυτή GS
4 Τερματικό εξόδου τάσης αναφοράς VREF
5 Ενεργό υψηλό. Αναστέλλει την ανίχνευση ήχων που
αντιστοιχούν σε Α, Β, C και D. INH
6 Ενεργό υψηλό. Οδηγεί το τσιπ για να απενεργοποιήσει τη
λειτουργία και αναστέλλει τον ταλαντωτή. PWDN 7 Σύνδεση για πρότυπο 3.579545 MHz κρύσταλλο. X1
8 X2
9 Ισόγειο (0V) VSS
10 Ενεργό υψηλό. Επιτρέπει έξοδο D0-D3 Ο.Ε.
11
Ακροδέκτες εξόδου.
D0
12 D1
13 D2
14 D3
15
Τα δεδομένα ισχύουν. Ψηλά επίπεδα όταν το σήμα DTMF είναι έγκυρο. Αλλιώς παραμένει σε χαμηλά επίπεδα.
DV
16 Πρόωρη έξοδος διεύθυνσης EST
17 Χρόνος απόκτησης Tone. Μπορεί να ρυθμιστεί με τη
χρήση εξωτερικής αντίστασης και πυκνωτή. RT / GT
18 Τάση τροφοδοσίας 5V (2.5V-5.5V). VDD
Πίνακας 3.1: Λειτουργίες διευθυνσιοδότησης
3.7 Μικροελεγκτής PIC16C57
Η καρδιά του κυκλώματος είναι ο μικροελεγκτής PIC16C57. Οι μικροελεγκτές αποτελούν μέρος ενός εντυπωσιακού αριθμού προϊόντων τα οποία βρίσκονται γύρω μας. Το αυτοκίνητό μας, τα τηλεχειριστήριά μας, η τηλεόρασή μας, οι ψηφιακές κάμερες, τα κινητά τηλέφωνα, τα πλυντήριά μας είναι μερικά από αυτά. Η χρήση μικροελεγκτών είναι καθολική και κάθε προϊόν το οποίο αλληλεπιδρά με ένα χρήστη περιλαμβάνει ένα μικροελεγκτή, ο οποίος παίζει το ρόλο του «εγκεφάλου» των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων.
Η ονομασία PIC προέρχεται από τα αρχικά των λέξεων Programmable Intelligent Computer. Οι μικροελεγκτές PIC είναι εξαιρετικά διαδεδομένοι εξαιτίας του χαμηλού τους κόστους, της διαθεσιμότητας, καθώς και της δυνατότητας σειριακού προγραμματισμού και επαναπρογραμματισμού. Μερικά από τα χαρακτηριστικά τους