Domácí zabezpečovací systém pomocí mobilního telefonu

(1)

Domácí zabezpečovací systém pomocí mobilního telefonu

Bakalářská práce

Studijní program: B2612 – Elektrotechnika a informatika

Studijní obor: 2612R011 – Elektronické, informační a řídící systémy Autor práce: Tomáš Myslivec

Vedoucí práce: doc. Ing. Josef Chaloupka Ph.D

(2)

Bachelor thesis

Study programme: B2612 – Electrotechnology and informatics

Study branch: 2612R011 – Electronic, Information and control systems

Author: Tomáš Myslivec

Supervisor: doc. Ing. Josef Chaloupka Ph.D

(3)

(4)

(5)

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahu- je do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využi- tí, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL;

v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákla- dů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé bakalářské práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

(6)

Abstrakt

Tato bakalářská práce se zabývá tvorbou komlexního bezpečnostní- ho systému, který je konfigurovatelný přes WPF aplikaci a ovlada- telný přes mobilní aplikaci. Jádro systému tvoří open-source platforma Arduino a GSM GPRS modul. Úvodem se práce zabývá teorií ohledně bezpečnostních systémů, dále pak programováním v Ar- duino IDE, Visual Studiu a Android Studiu. Podstatou je samotný návrh systému, tedy od výběru komponentů, napsání algoritmu, návrhu plošného spoje až po otestování systému. Výsledkem je jed- noduchý komplexní bezpečnostní systém, který je konfigurovatelný přes WPF aplikaci a ovladatelný přes mobilní aplikaci. Vytvoře- né řešení umožňuje sestavit jednoduchý bezpečnostní systém, který bude vhodný k zabezpečení rodinného domu proti vykradení.

Klíčová slova:

SIM800L, Arduino, bezpečnostní systém, Arduino a Visual Studio, Android Studio

Abstract

The aim of this work is security system with open-source platform Arduino and GSM GPRS module. The system is controllable by mobile phone and configurable by WPF aplication. The introducti- on of work is focused on security systems, open-source platform Arduino, GSM GPRS module, programming in the Visual Studio and Android Studio. The essence of the work is proposal security system, which contains selection of components, write the algori- thm, design of DPS and test the system. The result of the work is simply security system for securing a family home.

Key words:

SIM800L, Arduino, security system, Arduino and Visual Studio, Android Studio

(7)

Poděkování

Rád bych poděkoval firmě MICRORISC s.r.o., která mi věnovala sadu IQRF modulů pro tvorbu bezdrátových senzorů systému. Mé poděkováni patří též panu doc. Ing. Josefu Chaloupkovi Ph.D. za podnětné rady a připomínky při tvorbě bakalářské práce a v nepo- slední řadě rodině za psychickou podporu.

(8)

Obsah

Seznam zkratek . . . 9

1 Úvod 10 2 Bezpečnostní systémy 11 2.1 Popis bezpečnostního systému . . . 11

2.1.1 Ústředna systému. . . 12

2.1.2 Senzory . . . 12

2.1.3 Uživatelské rozhraní . . . 12

2.2 Účel montáže bezpečnostního systému . . . 12

2.3 Situace bezpečnostních zařízení na českém trhu . . . 13

2.3.1 Alarm JABLOTRON 100 . . . 13

2.3.2 KERUI-W18-WIFI-GSM Home Burglar Security Alarm . . . 14

3 Komunikace ústředny s komponenty 15 3.0.1 Rozhraní UART/USART . . . 15

3.0.2 Rozhraní I²C u Atmelu TWI (Two Wire Interface) . . . 15

4 Software využitý pro tvorbu programů 17 4.1 Aplikované hnihovny v Arduino IDE . . . 17

5 Návrh realizovaného bezpečnostního systému 19 5.1 Mega2560 Pro Mini . . . 19

5.1.1 Technická specifikace pro Arduino Mega2560 Pro Mini . . . . 20

5.2 SIM800L. . . 21

5.2.1 Problémy modulu SIM800L s resetováním . . . 21

5.2.2 Vstupy a výstupy modulu SIM800L . . . 22

5.2.3 Technická specifikace modulu SIM800L . . . 22

5.2.4 AT příkazy . . . 23

5.3 LCD displej . . . 24

5.3.1 Technická specifikace LCD displeje . . . 24

5.4 RFID čtečka tagů RMD6300 . . . 25

5.4.1 Technická specifikace RFID čtečky RMD6300 . . . 25

5.5 Klávesnice 4×4 znaků . . . 26

5.5.1 8-Bit I/O Expander pro I²C rozhraní . . . 27

5.6 IQRF Modul TR-72DA. . . 27

5.6.1 Technická specifikace modulu TR-72DA . . . 27

(9)

5.7 Nápajení systému . . . 28 5.7.1 Technická specifikace UPS zdroje . . . 29 6 Softwarová realizace bezpečnostního systému 30 6.1 Prioritní funkce v kódu pro ústřednu . . . 30 6.2 Prioritní třídy, metody v kódu pro nastavovací aplikaci . . . 32 6.3 Prioritní funkce a třídy v mobilní aplikaci . . . 34

7 Ústředna systému 36

7.0.1 Schema zapojení ústředny . . . 37

8 Nastavení parametrů ústředny 39

8.1 Aplikace pro nastavení parametrů ústředny systému . . . 39 9 Řízení ústředny pomocí mobilního telefonu 42 9.1 Ovládací aplikace pro chytré telefony . . . 42 9.1.1 Nutná oprávnění aplikace . . . 43 9.1.2 Tvalé uložení informací v chytrém telefonu . . . 43

10 Bezdrátové senzory 44

10.1 Program pro bezdrátové senzory. . . 45 10.2 Senzorické komponenty . . . 45 11 Vyhodnocení funkčnosti prototypu systému 46

12 Závěr 48

Seznam použité literatury 52

13 Přílohy 53

13.1 Náklady na sestavení bezpečnostního systému . . . 53 13.2 Obsah přiloženého CD . . . 53

(10)

Seznam zkratek

TUL Technická univerzita v Liberci

FM Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Technické uni- verzity v Liberci

GSM Global System for Mobile Communications GPRS General Packet Radio Service

PIR Passive infrared

PWM Pulse Width Modulation RFID Radio Frequency Identification SDK Software development kit GUI Graphical user interface DDMS Dalvik Debug Monitor Service AS Android Studio

VS Visual Studio

(11)

1 Úvod

Elektronická zabezpečení jsou v posledních letech stále více žádanější zabezpečení objektu. Elektronické zabezpečení může konkurovat všem mechanickým zabezpeče- ním, ale i fyzické ostraze objektů. Je složitě proniknutelné a poslední dobou ke své funkci zabezpečit přidává i jednoduchou automatizaci, kterou lze použít např. na vytápění domu, řízení osvětlení, otevírání garážových vrat atd.

Motivací pro tvorbu jednoduchého zabezpečovacího zařízení byla zkušenost s levnými čínskými alarmy, které ovšem neplnily svoji funkci a byly nespolehlivé.

Proto cílem bakalářské práce bylo vytvořit vlastní funkční bezpečnostní systém, který bude ovladatelný mobilním telefonem. Systém nemá konkurovat výrobkům renomovaných firem, které se již řadu let zabývají výrobou bezpečnostních systému.

Priorita při tvorbě systému byla kladena na pochopení funkčnosti bezpečnostního systému, zdokonalení se v programování, řešení problému při tvorbě systému a vý- robu jednoduchého funkčního zařízení, které bude schopné zabezpečit rodinný dům proti krádeži.

Srdcem systému má být open-source platforma Arduino a GSM GPRS modul.

Ovládání systému bude možné buď přes aplikaci z chytrého telefonu, nebo přes klávesnici a displej na ústředně. Systém při poplachu rozesílá SMS na pět vybra- ných telefonních čísel a zároveň spouští sirénu. Dále bude obsahovat celkem deset vstupních pinů pro drátové senzory a dále bude možnost připojit k systému něko- lik bezdrátových senzorů. Zablokování a odblokování systému bude možné zadáním zvoleného PINu na klávesnici, přes mobilní aplikaci, nebo přiložením RFID tagu.

Nastavení bude možné provést pouze z aplikace na PC, se kterou systém komunikuje pomocí rozhraní USB.

(12)

2 Bezpečnostní systémy

2.1 Popis bezpečnostního systému

Elektronické bezpečnostní systémy (obr.2.1.) jsou dnes již standardní ochrana proti vloupání. Můžeme je dělit na drátové, bezdrátové a na kombinaci těchto dvou. Drá- tové systémy propojují ústřednu a jednotlivé senzory komunikační sběrnicí, naopak u bezdrátového systému není třeba řešit sběrnicové propojení.

Každý systém se skládá z ústředny, senzorů, uživatelského rozhraní a sirény.

Ústředna je nejdůležitější prvek systému, má za úkol shromažďovat informace ze senzorů a případně po jejich vyhodnocení komunikovat majitele nebo bezpečnost- ní agenturu. V případě výpadku elektrického proudu má být ústředna napájena ze záložního zdroje. Senzory mohou být různého typu např. PIR senzory, kouřové senzory, senzory úniku plynu, senzory rozbití skla, hladinové senzory atd. Ve vět- šině bezpečnostních systému je uživatelské rozhraní tvořeno klávesnicí s displejem, RFID čtečkou, nebo bezdrátovou klíčenkou či mobilním telefonem. Pouze u někte- rých drahých a robustních systému je tvořen biometrickými senzory. V další sekci práce budou podrobněji popsány jednotlivé části systému.

Obrázek 2.1: Bezpečnostní systém Oasis od fa Jablorton [30]

(13)

2.1.1 Ústředna systému

Ústředna je nejdůležitější prvek systému. Jejím úkolem je vyhodnocení informací ze senzorů v reálném čase a ovládání systému. Po vyhodnocení informací ze senzorů může přivolat bezpečnostní agenturu, upozornit majitele zprávou SMS, voláním, nebo jen zapnout sirénu. V případě výpadku elektrického proudu má být ústředna napájena ze záložního zdroje.

Ústředna se ze zásady umísťuje do krytých míst, protože v případě vloupání by měla být zničena až jako poslední část systému.

Na ústředně lze nastavit přibližně 4 stavy a to: zajištěno, nezajištěno, částečně zajištěno (pouze jednotlivé zóny) a stav, kdy je možno ji nastavit pomocí PC nebo klávesnice. [1]

2.1.2 Senzory

Senzory jsou zařízení, která vyhodnocují fyzikální změny ve střeženém prostoru a v případě narušení vysílají poplachový signál ústředně. Senzory se dají členit podle mnoha různých hledisek, jako je princip detekce, způsob napájení, propojení s ústřednou, ochrana proti nepříznivým vlivům aj. Senzory můžeme rozdělit do skupin dle typu ochrany, tedy konkrétně, jakou část zabezpečovaného objektu chceme chránit např. na ochranu obvodovou, plášťovou, předmětovou atd. [1]

2.1.3 Uživatelské rozhraní

Z důvodu uživatelsky snadného ovládání funkcí jsou bezpečnostní systémy vybaveny ovládacími zařízeními ve formě klávesnic obsahující LCD displej, bezdrátových ovla- dačů (klíčenek), mobilních aplikací, webových aplikací a RFID čteček. Signalizační zařízení akusticky nebo opticky informuje uživatele o aktuálním stavu ústředny, vyhlášeném poplachu, poruše komponentu nebo systému apod. Uživatelské rozhraní se na rozdíl od ústředny umísťuje na dobře viditelné a dostupné místo.

2.2 Účel montáže bezpečnostního systému

Důvodem pořízení a instalace elektrického bezpečnostního systému je zvyšující se kriminalita.

Elektronický bezpečnostní systém má vůči mechanickému zabezpečení řadu vý- hod. Elektronický systém má svůj vlastní řidicí systém, který je daleko sofistiko- vanější než mechanický systém a chrání pouze tehdy, když si to jeho majitel přeje.

Šance na jeho prolomení je daleko nižší než např. u bezpečnostního zámku. Elektric- ký bezpečnostní systém má i řadu výhod před fyzickou ochranou objektů. Systém

(14)

nepotřebuje spát, není možné jej podplatit a při jeho napadení nevzniká škoda na zdraví.

Bezpečnostní systémy se instalují nejen z důvodu ochrany majetku. Zákazníkům totiž nejde jen o zabezpečení, ale i o komfort, který systém dokáže přinést. Se systémem se váže ovládání garážových vrat, osvětlení, vytápění, nebo i zavlažování.

Komfort je řešen především ovládáním systému přes chytrý telefon nebo internet.

Navíc při zaplacení určitého obnosu je se systémem od renomovaných firem spojena security služba, která v případě narušení objektu zasáhne.

2.3 Situace bezpečnostních zařízení na českém trhu

Zákazník má na výběr z velké spousty elektronických bezpečnostních zařízení. Nabí- zejí se mu jak levné produkty z Číny, tak velice kvalitní produkty od renomovaných firem. Při pořizování bezpečnostního systému by si zákazník měl promyslet tyto důležité body, které mu specifikují výběr bezpečnostního systému:

• Co chceme zabezpečit

• Počet senzorů pro zabezpečený objekt

• Kolik jsme ochotní zaplatit za takový systém

• Jak má být systém spolehlivý

2.3.1 Alarm JABLOTRON 100

Velice kvalitní bezpečnostní systém od české fa Jablotron, Alarm Jablotron 100 (obr.2.2.). Tento bezpečnostní systém umí kromě zajištění objektu ještě zapínat a vypínat osvětlení, otevírat garážová vrata, nebo řídit vytápění v domě.

Alarm je řízený přes tlačítkovou klávesnici, mobilní aplikaci, přes internet nebo pomocí bezdrátové klíčenky. Ústředna systému komunikuje s uživatelem pomocí internetu nebo SMS zpráv. Firma nabízí velkou řadu periferií pro rozšíření tohoto systému. Cena systému pro jednopatrový rodinný dům je přibližně 45 000 Kč. [2]

Technická specifikace Alarmu JABLOTRON 100

• Až 120 sběrnicových nebo bezdrátových periferií

• Až 300 různých kódů / 600 karet pro uživatele

• Až 15 sekcí (zón) systému

• Maximálně 32 programovatelných výstupů

• 20 vzájemně nezávislých kalendářů

• LAN/GSM/GPRS/3G/PSTN komunikace

(15)

• Reporty z MyJABLOTRON SMS, e-mail nebo push notifikace neomezenému počtu uživatelů

• Reporty z ústředny - SMS až 25 uživatelům

• Certifikace pro stupeň 2 dle EN 50131

Obrázek 2.2: Alarm JABLOTRON 100 [29]

2.3.2 KERUI-W18-WIFI-GSM Home Burglar Security Alarm

Bezpečnostní systém nízké ceny od čínského dodavatele (obr.2.3.). Ústředna obsahuje 1,7 palcový TFT displej, dotykovou klávesnici a výkonný procesor.

Systém komunikuje s uživatelem pomocí SMS zpráv, nebo volání. K systému lze připojit řadu bezdrátových periferíí, dle uvedených údajů až 99. Ústřednu lze připojit pomocí Wi-Fi k internetu, odkud bude systém s velkou pravděpodobností ovladatelný. Součástí systému je i 120 dB hlasitá siréna. Jak tvrdí prodejce, systém je použitelný v rodinných domech, vilách, škole atd. Cena systému pro rodinný dům je přibližně 3 000 Kč. Bližší technická specifikace k alarmu není k dipozici. [3]

Obrázek 2.3: KERUI-W18-WIFI-GSM Home Burglar Security Alarm [3]

(16)

3 Komunikace ústředny s komponenty

Jednotlivé komponenty bezpečnostního systému jsou k systému připojeny buď přes rozhraní UART nebo přes rozhraní I²C. Pouze siréna a zdroj systému jsou připojeny obyčejným drátovým vedením. Výběr komunikačních rozhraní s ústřednou je zdůvodněn minimálním počtem vodičů na propojení a podporou knihoven v Arduino IDE.

3.0.1 Rozhraní UART/USART

UART je asynchronní sériové rozhraní pro přenos dat mezi zařízeními v obou smě- rech (plný duplex). Používá se pro komunikaci mezi mikrokontroléry, počítači a dalšími zařízeními podporující tento standard.

Rozhraní má standardně 2 piny a to TXC (vysílání) a RXC (přijímání), rychlost komunikace je programově nastavitelná a musí ji podporovat obě zařízení. Pro přenos dat se používají rámce, které mohou mít 5 až 9 bitů, obsahují start bit a jeden nebo dva stop bity. Každý rámec ještě navíc může obsahovat paritní bit kontroly rámce.

UART má v procesorech Atmel ATMega2560 tři nezávislá přerušení a to od od- vysílání znaku, vyprázdnění vysílacího registru a příjmu znaku. Procesor disponuje detekcí ztráty znaku a detekcí chyby rámce. Součástí procesoru je i digitální dol- nofrekvenční propust pro detekci falešného start bitu a filtraci zákmitů datových bitů.

Programově je UART řízen knihovnou, takže programátor Arduina nemusí mít přímý přístup k registrům. Arduino obsahuje 4 páry pinů pro hardwarový UART a po vyčerpání těchto pinu umí pomocí hnihovny SoftwareSerial udělat rozhraní UART téměř na každém pinu desky. [15][33]

3.0.2 Rozhraní I²C u Atmelu TWI (Two Wire Interface)

Rozhraní I²C obsahuje pouze 2 vodiče pro přenos dat. SDA pro data a SCL pro hodiny. Přenosová rychlost je obvykle nastavena na 100 kHz, ale může být i řádově vyšší. Vždy se přizpůsobí nejpomalejšímu prvku připojenému na sběrnici. Na oba vodiče (SDA i SCL) se připojují pull-up rezistory, aby byly implicitně v logické jedničce.

V základní verzi jsou obvody adresovány 7bitově a v rozšířené verzi 10bitově.

To umožňuje připojení 128 zařízení, respektive 1024 čipů s různou adresou na jednu

(17)

společnou sběrnici.

Při přenosu dat Master generuje hodinový signál. Data, která kolují na sběrnici, přijímají všichni a pouze podle adresy se určuje komu jsou určena. Zařízení, které chce vysílat nejprve odešle signál start, poté adresový paket jenž určí jaký slave ho přijme, datový paket a nakonec stop bit. Data po sběrnici proudí tehdy, jsou-li hodiny SCL v log. 0. Výjimku tvoří pouze start bit a stop bit.

U procesoru Atmel ATMega2560 se komunikace I²C řídí pomocí pěti registrů a pouze jednoho přerušení. Stejně jako u rozhraní UART programátor Arduina nemusí mít přímý přístup k registrům, vše za něho zajistí knihovna.[16]

(18)

4 Software využitý pro tvorbu programů

Pro tvorbu komplexního bezpečnostního systému byly použity následující pro- gramy:

• Arduino IDE pro naprogramování ústředny řízené platformou Arduino

• Visual Studio pro tvorbu jednoduché nastavovací aplikace systému, která bude následně komunikovat s ústřednou

• Android Studio, pomocí něhož byla vytvořena jednoduchá ovládací aplikace určená pro chytré telefony, jenž komunikuje s ústřednou a umí zajistit/odjistit zabezpečený objekt

• Eagle 7.6 pro tvorbu schematu zapojení a DPS

• IQRF IDE pro tvorbu jednoduchého programu pro bezdrátové senzory

4.1 Aplikované hnihovny v Arduino IDE

Knihovna EEPROM.h

Knihovna umožnující čtení a zápis z non-volatilní (nezávislé na napájení) pa- měti EEPROM. Celkem obsahuje 6 funkcí, ale nejpoužívanější funkce jsou EEPROM.read(adresa) a EEPROM.write(adresa, value), kde parametr funkce adresa je typu int a value typu byte. [5]

Knihovna Wire.h

Knihovna umožňující komunikaci s I²C zařízeními připojenými na piny SDA a SCL.

Knihovna Wire používá 7bitové adresy. Při práci s knihovnou je velice důležité inici- alizovat knihovnu pžíkazem Wire.begin (adresa), kde parametr adresa je 7 bitová adresa.

Nejpoužívanějšími funkcemi knihovny jsou funkce Wire.write(value), kde parametr value je typu byte a stejně jako u knihovny EEPROM.h funkce Wire.read(), která slouží pro čtení. [6]

(19)

Knihovna Keypad.h a Keypad_I2C.h

Knihovna Keypad.h slouží pro použití klávesnic s maticovým zapojením. Zlepšu- je čitelnost kódu tím, že skryje funkce pinMode a digitalRead pro uživatele. Při použití knihovny není zapotřebí používat na vstupních pinech klávesnice rezistory, jelikož knihovna používá interní pullup odpory a dodatečně zajišťuje, že všechny nepoužité sloupcové piny mají vysokou impedanci.

Knihovna Keypad_I2C.h navazuje na knihovnu Keypad.h a zjednodušuje její po- užití. Klávesnice může využít I²C expanderu a komunikovat pouze po dvou datových vodičích SDA a SCL. Nejpoužívanější funkcí spojených knihoven je kpd.getKey(), která vrací stisknutou klávesu v datovém typu char. [7]

(20)

5 Návrh realizovaného bezpečnostního sys- tému

Při návrhu bezpečnostního systému se kladl důraz na výběr komponent, které mohou komunikovat s mikropočítačem Mega2560 Pro Mini. Jak můžeme vidět na blokovém schematu (obr.5.1), většina komponent s Mega2560 Pro Mini komunikuje pomocí UART, nebo I2C sběrnice.

Čtečka tagů RMD6300 a LCD displej společně s klávesnicí slouží jako uživa- telské rozhraní systému, přes které bude uživatel systém řídit. Modul SIM800L zajištujě odesílání, přijímání SMS zpráv a volání, tedy GSM komunikaci systému s uživatelem. Důvod využití SMS zpráv a volání před datovým tarifem je takový, že ne každý uživatel má datový tarif a pokrytí sítí GSM je v ČR vyšší než pokrytí LTE sítí. IQRF Modul TR72-DA společně se zásuvným modulem CK-USB-04 slouží jako anténa a převodník signálu z bezdrátových senzorů. Napájení systému musí v případě výpadku elektrické energie splňovat funkci záložního zdroje, proto je použit UPS zdroj.

Obrázek 5.1: Blokové schéma ústředny navrhovaného bezpečnostního systému

5.1 Mega2560 Pro Mini

Arduino Mega je určeno pro náročnější uživatele, kteří potřebují ovládat větší množ- ství periferních zařízení a kde program zabírá méně než 248 kB paměti. Obsahuje 54

(21)

I/O pinů, z nichž 6 využitelných na hardwarový UART, 14 pinů na PWM regulaci, 2 piny pro I2C sběrnici a 16 analogových vstupních pinů.

Verze Mega2560 Pro Mini (obr.5.2.) je menší a kompaktnější verze Arduina Me- ga2560 R3, která stejně jako Mega2560 R3 je osazena 8-bitovým mikroprocesorem ATMEGA 2560. Právě tato verze Arduina se používá pro stejnou funkčnost jako má Mega2560 R3, pro jeho menší rozměry a výstupní piny na spodu desky jako např.

u desky Arduino Nano.

Mega2560 Pro Mini je srdcem ústředny systému, řídí veškerou komunikaci, kontroluje senzory systému, stará se o čtení SMS zpráv a o přijetí, nebo blokování hovorů.

[17] [18]

Obrázek 5.2: Arduino Mega2560 Pro Mini [17]

5.1.1 Technická specifikace pro Arduino Mega2560 Pro Mini

• Mikrokontrolér ATmega2560

• Provozní napětí 5V

• Vstupní napětí (doporučeno) 7-12V DC

• Vstupní napětí (limity) 6-20V DC

• Digitální I/O piny 54 (z nichž 15 pro PWM)

• Analogové vstupní piny 16

• DC proud pro I/O pin 40 mA

(22)

• DC proud pro 3.3V pin 50 mA

• Flash paměť 256 kB, z toho 8 kB používá bootloader

• SRAM 8 kB

• EEPROM 4 KB

• Hodiny 16 MHz

5.2 SIM800L

SIM800L (obr.5.3.) je miniaturní GSM/GPRS modul vyvinutý čínskou firmou SIM Technology Group Limited. Modul se řídí AT příkazy po sériovém portu z mikro- kontroléru, případně PC. Podporuje všechny frekvenční rozsahy pásma GSM 850, EGSM (Extended GSM - rozšířená verze GSM pásma o 10 MHz) 900, DCS 1800, PCS 1900 MHz [20]. Možno jej využít pro přenos dat, e-mailů, SMS, MMS.

Modul disponuje piny pro připojení reproduktoru a mikrofonu. Podporuje MICRO SIM karty s napájením 1.8 V i 3 V. Má výstup pro LED signalizující stav konektivity - rychle blikající led znamená, že je signál sítě dobrý, naopak pomalu blikající led signalizuje špatně dostupný signál. Modul je vybaven IPX konektorem pro připojení anténky, drátová anténka je součástí modulu.

Modul je navržen pro použití v mobilních telefonech, nebo alarmech a tudíž je jeho napájení od 3.6 V do 4.4 V DC, pro které se dá použít LiPo baterie. Dalším napájecím zdrojem pro modul může být zapojení integrovaného regulovaného sta- bilizátoru LM317 s odporovým děličem, nebo použití polovodičových diod, kde na každé diodě je úbytek přibližně 0,5 V. Je třeba dát pozor na velký proudový odběr modulu (až 2 A).

Tento modul byl použil z důvodu možnosti připojení mikrofonu pro odposlech objektu, malým rozměrům a příznivé ceně. [19]

5.2.1 Problémy modulu SIM800L s resetováním

Při testech GSM GPRS modulu SIM800L byly zjištěny problémy při připojování do GSM sítě. Problémy se projevovaly restartováním modulu a dlouhodobým obrov- ským odběrem proudu (až 2 A). Tento problém byl řešen poměrně dlouho, neboť jsem si nebyl jistý, jestli je způsoben vadným modulem, nebo nedostatečně tvrdým zdrojem napájení, který musí být v netradičním rozmezí 3,7 - 4,2 V.

Situace byla vyřešena regulovatelným integrovaným stabilizátorem LM317 s od- porovým děličem, kde výsledné výstupní napětí je 4,1V. Pro výpočet napětí byl použit vzorec Vout = 1.25 * ( 1 + R2/R1 ), kde R1 byl zvolen 4k7 Ω. Výstupní proud stabilizátoru je omezen pouze na 1,5 A a tudíž byly do návrhu přidány pa- ralelně dva kondenzátory 1000 uF/6,3 V (pro zvýšení kapacity). Tím byl problém s resetováním potlačen a snad i odstraněn, při testování systému se již restartování neprojevilo.

(23)

5.2.2 Vstupy a výstupy modulu SIM800L

• RING (není označeno na PBC, první čtvercový pad) - LOW stav při příjmu hovoru

• DTR - režim spánku, výchozí stav v režimu HIGH (modul v režimu spánku, zakázaná sériová komunikace) - po nastavení v režimu LOW se modul probudí

• MICP, MICN - mikrofon (P + / N -)

• SPKP, SPKN - reproduktor (P + / N -)

• NET - drátková anténa

• VCC - napájecí napětí

• RESET - resetování

• RXD - sériová komunikace

• TXD - sériová komunikace

• GND - zem

Obrázek 5.3: GSM/GPRS modul SIM800L [31]

5.2.3 Technická specifikace modulu SIM800L

• Pásmo: GSM 850, EGSM 900, DCS 1800, PCS 1900 MHz

• Přenosová rychlost: 85.6 kBps

• Ovládání: AT příkazy

• Napájení: 3.7 V až 4.4 V DC

• Spotřeba: úsporný režim 7 mA, špičkově 1-2 A (registrace do sítě)

(24)

• SIM podpora: 1.8 V i 3 V

• Kompatibilita: technologie 3.3 V, 5 V

• Rozměry modulu: 25 x 22 mm

• Rozměry antény s IPX konektorem: 37 x 8 mm

5.2.4 AT příkazy

Využití AT příkazů je dnes standardem pro každý GSM/GPRS modem. Byly vy- myšleny za účelem jednodušší konfigurace modemů. Definoval se jednoduchý jazyk nazývaný AT-language - každý řádek začíná znaky AT (z anglického attention) a ukončuje se klávesou Enter.

Příkazy jsou většinou přeposílány po sériové lince přímo k modemu. AT příkazy jsou standardizovány a platí pro většinu modemů, pouze některé modemy mohou mít své speciální AT příkazy.

Pro zjištění, zda je modem připraven přijímat příkazy, dotážeme se ho zapsaním příkazu AT na jeho sériový port. Jestli je modul připraven, odpoví OK. Pokud již modem komunikuje, je nutné mezi příkazy dělat časové pauzy, aby nám mohl odpovídat. [21] [28]

Přehled nejpoužívanějších AT příkazů

• AT - kontrola, zda rozhraní funguje dobře, pokud ano, odpověď OK

• ATI - vrací název modulu a revizi

• AT + CMEE = <n> - zapne detailní chyby, důležité při testování příkazů

• AT + CCID - získáte číslo SIM karty - testuje, že SIM karta je v pořádku a můžete ověřit správnost čísla zapsaného na SIM kartě

• AT+GSN - získání IMEI čísla modulu

• AT + COPS? - zkontroluje, zda jste připojeni k síti

• AT+CSQ - zjištění síly signálu, odpověď +CSQ: <rssi>,<ber> kde rssi je indikátor síly příjímaného signálu (měl by být vyšší než 5) a ber udává sílu signálu v procentech

• AT + CBC - vrátí stav baterie lipo -> druhé číslo udává procenta baterie a třetí číslo je skutečné napětí baterie v mV

• AT + CMGF = <n> - nastaví SMS formátu, když n=1 -> režim TEXT, nikoli PDU (data), nutné, protože jinak nemůžete zprávu vypsat

• AT + CMGS = <n> - odeslání textové zprávy, kde n je telefonní číslo příjemce, budete vyzváni k zadání textu SMS zprávy

(25)

• ATD<n> - pro vytočení telefonního čísla, kde n je tel. číslo

• ATH - ukončení příchozího hovoru

• ATA - odpovědět na příchozí hovor

• AT+CMGR=<index> - index =1 - přečíst přijatou SMS s indexem 1 (tzn.

první přijatou SMS uloženou v paměti)

• AT+CNMI - indikuje nově přijatou SMS zprávu

• AT + IFC - nastavení místní regulace toku dat TE-TA

• AT + CPBS - vybere paměťové úložiště telefonního seznamu

• AT+CSCS=<chset> - nastavuje, která sada znaků chset používá TE

• AT+CMGDA - odstranění všech SMS zpráv

• AT+CLIP - povoluje identifikaci volajícího (zjištění tel. čísla)

5.3 LCD displej

LCD displej (obr.5.4.) řízený přes sériovou sběrnici I²C vyniká především v aplika- cích, které nemají nároky na zobrazení mnoha informací. Displej je podsvětlen bílou led diodou a podsvětlení lze vypnout vysunutím jumperu. Může zobrazit 20 znaků na řádek a 4 znaky na sloupec. Kontrast displeje lze jednoduše nastavit trimrem na zadní straně displeje.

Adresa pro I²C sběrnici je výrobcem nastavena na 0x3F H a lze ji jednoduše změnit pomocí rozpojení nebo zkratování pájecích plošek na plošném spoji převod- níku na I²C komunikaci. [24]

5.3.1 Technická specifikace LCD displeje

• Napájení 5V DC

• Podsvětlení modrou barvou

• Kontrast lze ovládat trimrem

• Podsvětlení lze vypnout odejmutím jumperu

• Rozměry 60×99 mm

• Rozhraní I²C

(26)

Obrázek 5.4: LCD displej 20x4 modré barvy [24]

5.4 RFID čtečka tagů RMD6300

RFID je v současnosti velmi rychle rozvíjející se technologie, která umožňuje získat data z tagů bez přímé viditelnosti. Technologie využívající se v logistice, dopravě, identifikaci osob a identifikaci zboží.

V bezpečnostním systému je použita čtečka o frekvenci 125 kHz (obr.5.5.) Pouze pro pasivní tagy (tagy bez vlastního zdroje). Dokáže číst tagy ze vzdálenosti 2-3 cm.

Čtečka je připojná přes rozhraní UART a po přečtení tagu posílá 14 bytů - start byte vždy číslo 2 (1 byte), dále interní číslo tagu (11 bytů), kontrolní součet (1 byte) a stop byte (1 byte).

Princip zařízení je velmi jednoduchý- anténa a čtečka jako jedna cívka do okolí indukují elektromagnetické pole. Tag (čip) má v sobě také cívku, která po přiložení do elektromagnetického pole vlivem elektromagnetické indukce začne napájet elektronický čip, který vyšle uložený kód. [22] [23]

5.4.1 Technická specifikace RFID čtečky RMD6300

• Frekvence 125 kHz

• Přenosová rychlost 9600 Bd

• Pracovní napětí DC 5 V (+/- 5 %)

• Pracovní proud <50 mA

• Pracovní teplota: -10 °C až + 70 °C

• Skladovací teplota: -20 °C až + 80 °C

• Velikost desky plošného spoje 38,5×19×9 mm

(27)

Obrázek 5.5: RFID čtečka tagů RMD6300 [22]

5.5 Klávesnice 4×4 znaků

Robustní klávesnice (obr.5.6.) obsahující šestnáct znaků, z nichž je deset znaků čísel- ných a ostatní jsou #,* a písmena A, B, C, D. Elektrické zapojení uvnitř klávesnice je do maticové struktury. Výstup klávesnice je osmi pinový konektor, kde první čtyři piny jsou pro řádky a zbylé čtyři piny pro sloupce.

Čtení jednotlivých tlačítek probíhá tak, že je postupně přiváděna log ’1’ na řád- kové piny a sleduje se, zda se log ’1’ nedostala na sloupcový pin.

Obrázek 5.6: Klávesnice 4×4 znaků [32]

(28)

5.5.1 8-Bit I/O Expander pro I²C rozhraní

Integrovaný obvod PCF8457 se používá z důvodu rozšíření počtu vstupů a výstupů Arduina. Adresa expanderu se nastavuje propojením vstupů A0, A1, A2. Nápájení expanderu je od 2 do 6 V. Na piny SDA a SCL se připojují vůči napájecímu napětí rezistory s velikostí řádově jednotek kiloohmů, aby oba piny byly imlicitně v logické

’1’. Pro přenosovou rychlost 100 kHz postačuje 4k7 rezistor.

5.6 IQRF Modul TR-72DA

TR-72DA (obr.5.7.) patří do rodiny IQRF vysílacích modulů pracujících v licencova- ném kmitočtovém pásmu 868 MHz a 916 MHz ISM (průmyslové, vědecké a lékařské frekvenční pásmo).

Jedná se o jednoduchý mikrokontrolér na desce s konektorem KON-SIM-02. K mikrokontroléru je připojen integrovaný LDO regulátor, sériová EEPROM, které jsou vhodné pro vývoj menších aplikací.

Modul obsahuje integrovanou anténu a nastavitelným RF výkonem můžeme ovlivnit již tak nízkou spotřebu energie, díky níž jsou tyto moduly předurčeny pro použití v bateriových aplikacích.

Pomocí zásuvného modulu CK-USB-04 se modul TR-72DA snadno napro- gramuje v jazyce C a s využitím zásuvného modulu DK-EVAL-03 tvoří podklad pro bezdrátový senzor. Dosah na volném prostranství je až 600 m. Více modulů umožňuje vytvoření MESH sítě. [25] [26]

Obrázek 5.7: TR-72DA [26]

5.6.1 Technická specifikace modulu TR-72DA

• Protokol Embedded Wireless M-Bus EN 13757-4: 2005

• UART - Bezdrátový M-Bus převodník

• 868 MHz a 916 MHz, SW konfigurovatelné, 433 MHz implementováno ve spe- ciálním HW (TR-72Dx-433), je v souladu s ETSI

(29)

• Výstupní výkon RF až 12,5 mW

• Externí sériová EEPROM 32 KB

• Anténa PCB nebo konektor U.FL

• Formát SIM karty, konektor KON-SIM-02

• Napájení 3.1 - 5.3 V

• Mimořádně nízká spotřeba energie

• 6 I/O pinů

• 2 LED diody

5.7 Nápajení systému

U napájení elektronického bezpečnostního systému musíme dbát na to, aby zdroj dodával energii i po výpadku el. proudu. Proto byl pro napájení systému zvolen 28 W UPS zdroj s dobíjením (obr.5.8.) a 12 V 10 Ah olověný akumulátor. Čím větší kapacitu záložní akumulátor má, tím delší dobu vydrží systém bez napájení ze sítě.

Při konstatním odběru systému 150 mA by vydržel na záložním akumulátoru o kapacitě 10 Ah přibližně 66,7 h, což jsou cca 3 dny. Záleží také na stavu nabití akumulátoru a jeho stáří. Záložní zdroj sice prodejce určuje pro led pásky, ale pro tento systém je plně dostačující. [27]

Obrázek 5.8: UPS zdroj s dobíjením [27]

(30)

5.7.1 Technická specifikace UPS zdroje

• Vstupní napětí 90-265 V AC

• Výstupní napětí CH1 11,3-14,9 V DC (nastavitelné)

• Výstupní proud CH1 2 A (určené pro napájený spotřebič)

• Výstupní napětí CH2 13,4 V DC

• Výstupní proud CH2 0,5 A

• Výkon pro 12 V výstup - 28 W

• Váha 0,3 kg

• Rozměry 111×78×36 mm

(31)

6 Softwarová realizace bezpečnostního sys- tému

6.1 Prioritní funkce v kódu pro ústřednu

Obrázek 6.1: Blokový diagram programu zobrazující jednotlivé funkce ve smyčkách while

(32)

Funkce pro odeslání SMS zprávy- void send_SMS(String text, String number) Důležitá funkce ústředny, která umí odeslat SMS zprávu. Parametry funkce jsou text, který udává text SMS zprávy a number číslo, na které se SMS zpráva ode- šle. Jestliže je číslo nulové a jsou povoleny SMS zprávy, tak funkce rozesílá zprá- vy na všechna čísla uložená v EEPROM paměti. Pro odeslání používá AT příkaz gprs.print("AT+CMGS=");.

Funkce pro přijetí SMS nebo hovoru- void receive_SMS_CALL()

Základem funkce pro přijetí SMS zprávy, nebo hovoru je podmínka pro příchozí data přes UART z modulu SIM800L. Když nějaká data přichází, tak se hlídá začátek a konec příchozích dat, tedy začátek '\n' a konec '\r'. Všechny znaky mezi tím se ukládají a potom jsou pomocí funkce substring() rozděleny na telefonní číslo v případě hovoru a v případě SMS ještě na obsah zprávy.

Funkce pro čtení přiloženého RFID tagu- void fce_read_tag()

Funkce, které předchází podmínka, jestli jsou nějaká data přijatá. Pokud ano, ukládá všech 14 Bytů do pole, ze kterého následně udělá jeden String a ten porovnává s ostatními uloženými tagy v EEPROM paměti. Pokud se tagy shodují, zajistí/odjistí systém.

Funkce pro zajištění všech zón- void fce_ensure()

Funkce zajistí všechny zóny obsažené v paměti EEPROM, to znamená, že když na nějaký senzor přijde náběžná/sestupná hrana, tak systém přejde do stavu ALARM.

Všechny zóny a senzory jsou uloženy ve vícerozměrném poli, kde zajištěná zóna má index 1 a nezajištěná 0. Tato funkce tedy zapíše ke všem zónám index 1.

Funkce pro zajištění jednotlivých zón- fce_ensure_zones()

Obdoba funkce pro zajištění všech zón, pouze se liší ve výběru jednotlivých zón k zajištění, což dělá funkci složitou. Cílem funkce je prohlížení zón načtených z paměti EEPROM a jejich zajištění/odjištění. Funkce tedy zapisuje do vícerozměrného pole indexy 1 pro zajištění a 0 pro odjištění.

Funkce pro kontrolu drátových a bezdrátových senzorů- fce_check_sensors(), void fce_check_wireless_sensors()

Funkce pro drátové senzory kontroluje jednotlivé piny Mega2600 Mini Pro a dále listuje ve vícerozměrném poli a hledá, zda se daný senzor nachází v zajištěné zóně.

Případně aktivuje stav ALARM. Funkce pro bezdrátové senzory přijímá data z CK- USB-04 a listuje ve vícerozměrném poli a hledá, zda se daný senzor nenachází v zajištěné zóně. Funkce ještě umí vyhodnotit stav baterie bezdrátového senzoru - 0 je OK a 1 symbolizuje vybitou baterii.

(33)

6.2 Prioritní třídy, metody v kódu pro nastavovací aplikaci

Obrázek 6.2: Blokový diagram nastavovací aplikace zobrazující jednotlivá okna a metody/třídy v nich

Třída File pro práci se soubory

V aplikaci jsou použity statické metody z této třídy, resp. metoda pro existenci souboru File.Exist(path) a jeho odstranění File.Delete(path). Jednotlivé metody jsou použity pro práci s .XML souborem, který uchovává informace o rozmístění zón a tlačítek v nich, path je cesta k souboru. Uchování těchto informací v EEPROM paměti by bylo velice nepraktické, jelikož se jedná o grafické objekty.

(34)

Třída XmlSerializer pro zakódování informací do souboru .XML a třída Strea- mWriter pro implementaci TextWriteru pro zápis

Z třídy XmlSerializer byly použity pouze metody pro serializaci a de- serializaci dat serializer.Serialize(writer, controls_for_transport) a XmlSerializer(typeof(List<control_class>)).

Writer je v tomto případě zapisovač, který určuje do jakého souboru se bude zapisovat, controls_for_transport je List s kolekcí vlastí třídy control_class, kde jsou uloženy veškeré parametry objektů (zón - canvas, tlačítek - button, řetězců s názvy, cesty k souborům).

Třída Backgroundworker a Threading - přesun složité činnosti do vedlejšího vlákna

Základním prvkem pro přesun informací je třída Backgroundworker umožňující pře- sunout složitou činnost do vedlejšího vlákna a tím nechat hlavní vlákno aplikace pracovat bez ”zaseknutí”.

Druhým důležitým prvkem pro přesun je třída pro řízení vlákna Threading. Tato třída umožňuje využití časovače, který v případě prodlevy vedlejšího vlákna vlákno zastaví a umožní vyhodit výjimku.

Třída Backgroundworker a Threading jsou tedy použité v každém okně i podokně aplikace. Událost DoWork každého Backgroundworkeru obsahuje cyklus while, který čeká na přijetí odeslaných/přijatých dat. Cyklus while může být přerušen událostí časovače, který dosáhne nastaveného času. Tímto se zapíše chyba přenosu a přenos pokračuje dále. Report o úspěšnosti přenosu se automaticky zobrazuje na konci přenosu všech informací z okna/podokna.

Třída serial_port

Třída serial_port je typu jedináček. Znamená to tedy, že na začátku aplikace, při prvním připojení k sériovému portu provede instanci na kterou se dále odkazujeme.

Třída zajišťuje stálé připojení, které není třeba v průběhu aplikace obměňovat.

Třída received_data

Tato třída je také typu jedináček. Na začátku aplikace provede první instanci a na ni se všechna okna odkazují. Třída slouží k zobrazení přijatých informací ze sériového portu.

Metoda pro zapsání textové informace na sériový port- private void PORT_WRITE(string text)

Jendá se o metodu pro zapsání textové informace na sériový port a zároveň metodu, která hlídá připojení po sériovém portu. V případě odpojení systému od PC, vy- hazuje chybovou hlášku a automaticky restartuje aplikaci. Každé okno nastavovací aplikace obsahuje tuto metodu.

(35)

6.3 Prioritní funkce a třídy v mobilní aplikaci

Obrázek 6.3: Blokový diagram mobilní aplikace pro ovládání systému zobrazující použité metody a třídy v jednotlivých oknech

Funkce pro získání zón ze systému- private void fce_get_zones()

Funkce, která po zavolání odešle SMS s textem pro získání jednotlivých zón ze systému. Tuto funkci lze zavolat pouze tehdy, jestliže je v aplikaci zadané telefonní číslo systému a je povolené odesílat SMS zprávy. V případě nesplnění podmínek je výstupem funkce chybová hláška.

Funkce pro uložení hesla a zón- private void fce_save_password(), public void onReceive(Context context, Intent intent)

Funkce pro uložení hesla kontroluje, zda už je nějaké heslo uložené. Pokud ano, tak pro nové heslo požaduje zapsání starého hesla, které porovná se starým heslem a potom požaduje dvakrát zapsání nového hesla. Nové heslo se poté uloží pomocí SharedPreferences. Pro uložení zón se také využívá rozhraní SharedPreferences, ale ještě před samotným uložením se nové zóny vyčítají z příchozí SMS zprávy, kde se

(36)

číslo přijaté SMS zprávy musí shodovat s uloženým telefonním číslem ústředny a dále se kontroluje klíčové slovo settings.

Třída pro přijetí SMS zprávy- public class receive_sms extends BroadcastRe- ceiver

Třída zajišťující přijetí SMS a její rozložení na obsah zprávy a na telefonní číslo.

Funkce pro čtení SMS zpráv- private void fce_read_SMS()

Funkce, která umí číst přijaté SMS zprávy z uloženého čísla ústředny a podle obsahu zprávy upraví vizuální stránku tlačítek v hlavním okně aplikace. Funkce se zaměřuje na klíčová slova settings pro uložení zón, alarmON pro zapnutí alarmu, alarmOFF pro vypnutí alarmu a na l_u pro zajištění/odjištění jednotlivých zón.

(37)

7 Ústředna systému

Obrázek 7.1: Stavový diagram ústředny systému

Nezajištěno:

• Je výchozí stav systému, kdy systém čeká na impulz od uživatele, na který zareaguje zajištěním systému. Impulzem může být poslání SMS zprávy z mo- bilní aplikace, zajištění systému přes klávesnici nebo RFID tag. V tomto stavu lze nastavit paramtery systému jeho připojením k PC.

Zajištěno:

• Je stav, do kterého systém přechází po výše zmiňovaném stavu čekání. V tom- to stavu systém kontroluje log. úrovně senzorů, ve smyčce kotroluje přiložení RFID tagu na čtečku, příchozí SMS zprávy, nebo stisknutá tlačítka na kláves- nici. V případě narušení integrity systému tzn. nízké logické úrovně na jednom z kontrolovaných senzorů, nebo příchozí informace z modulu TR-72DA, systém přejde do stavu čekání.

Čekání:

• Jedná se o mezistav systému, kam systém přechází v rámci čekání na opuštění objektu. Tento stav je také využíván při narušení objektu, kdy systém čeká na odjištění systému. Čekací doba systému se nechá programově upravit. Při

(38)

narušení objektu a vypršení čekací doby na odjištění systém přechází do stavu ALARM.

ALARM:

• ALARM je stav pohotovosti systému. Systém odesílá SMS zprávy o narušení zóny až na 5 vybraných telefonních čísel, dále zapíná hlasitou sirénu a čeká na příchozí hovor pro odposlech zajištěného objektu, nebo na SMS zprávu či vložení kódu/tagu pro odjištění systému. Při odjištění rovnou přechází do stavu odjištěno.

Nastavení systému:

• Stav sloužící pro nastavení parametrů systému. Do tohoto stavu systém pře- chází v případě, že je ve stavu Nezajistěno a je připojen kabelem USB k PC, který obsahuje software pro nastavení. Stav opouští v případě ukončení na- stavovacího programu.

7.0.1 Schema zapojení ústředny

Schema zapojení (obr.7.2.) a DPS byly vytvořeny v editoru plošných spojů Eagle 7.6.0. Návrh schematu i plošného spoje byl koncipován tak, aby se jednotlivé komponenty systému mohly zasadit do female pinů, nebo jednoduše připojit kabelovým svazkem. Pevně jsou umístěny pouze obvody pro stabilizaci napětí a spínací prvky.

Důvod tohoto návrhu je takový, že deska ústředny bude uložena v rozvaděčové krabici a jednotlivé komponenty budou součástí víka krabice. Do schematu nebyla navržena pojistka, jelikož samotná UPS má ochranu proti zkratu a pojistka by tedy byla zbytečná.

Při návrhu plošného spoje bylo třeba navrhnout knihovny pro jednotlivé součást- ky. Jednalo se o modul SIM800L, kde stažená verze kolidovala s rastrem, Mega2560 Mini Pro, pro něhož knihovna nebyla k nalezení a pro čtečku RFID tagů RDM6300.

Knihovny ostatních součástek byly součástí editoru Eagle, nebo se nechaly jednodu- še stáhnout z internetu. U většiny součástek byla zvětšena velikost jejich padů pro jejich lepší zaletování. Výsledné rozměry plošného spoje jsou 125 × 77 mm.

(39)

Obrázek 7.2: Schema zapojení ústředny

(40)

8 Nastavení parametrů ústředny

Pro nastavení parametrů ústředny je třeba použít USB kabel a PC software, který je součástí systému. Před nastavením musí být ústředna ve stavu nezajištěno, pouze z tohoto stavu lze přejít do stavu pro nastavení systému. Komunikace mezi ústřednou a PC začne automaticky, pouze je třeba nastavit USB port, do kterého je právě systém připojen.

Nastavovací aplikace zapisuje do paměti EEPROM, je třeba dbát na omezenou přepisovatelnost paměti a neukládat data do systému cyklycky a příliš opakovaně.

Další důležitou věcí při ukládání parametrů je neodpojovat USB kabel od počítače.

Došlo by tak ke ztrátě informací a neuložení do paměti!

8.1 Aplikace pro nastavení parametrů ústředny systé- mu

Obrázek 8.1: Aplikace pro nastavení parametrů ústředny systému

Vícevláknová nastavovací aplikace využívá třídu pro sériové porty IO.Ports a tří- du pro řízení vlákna Threading. Aplikace umožnuje nastavit jednotlivé parametry

(41)

systému, kde rychlost přenosu je permanentně nastavená na 9600 Bd. Aplikace se skládá ze 2 oken a 4 podoken, které na sebe navazují a na pozadí každého okna/- podokna běží časovač pro řízení aplikace. Aplikace má v nastavovacím okně možnost nápovědy.

Při vstupu do aplikace máme přístup pouze do přístupového okna systému, kde vo- líme port a vkládáme heslo pro přístup. Při zvolení portu provedeme istanci třídy serial_port, která je typu singleton. Po dobu otevřeného programu máme tedy systém stále připojený k PC. Pro kontrolu hesla se aplikace ptá systému na uložené a tedy jediné možné správné heslo. Když zadané a získané heslo ze systému souhla- sí, aplikace zavře přístupové okno a samovolně přejde do nastavovacího okna, které obsahuje následující 4 podokna:

Změna hesla:

• Podokno Změna hesla slouží pro změnu přístupového hesla. Aplikace vyžadu- je zadání starého hesla a poté dvakrát nového hesla, které se musí shodovat.

Nové heslo musí obsahovat pouze 4 číslice. Při uložení nového hesla do systé- mu se aplikace podívá na staré heslo, porovná ho s heslem uloženým v systému a následně zapíše do EEPROM paměti nové heslo.

Nastavení telefonních čísel:

• Podokno Nastavení telefonních čísel slouží k uložení telefonních čísel, na které systém v případě stavu ALARM rozesílá SMS zprávy. Nově při- dané telefonní číslo musí mít velikost 13 znaků tzn. 9 znaků číslo a 4 znaky číselná předvolba, toto číslo se tlačítkem Přidat telefonní číslo uloží do comboboxu. Z comboboxu se dá jednoduše odstranit tlačít- kem Vymazat telefonní číslo. Tlačítko Uložení čísel do systému uloží všechna čísla obsažená v comboboxu do EEPROM paměti systému.

Nastavení RFID tagů:

• Podokno Nastavení RFID tagů slouží k uložení RFID tagů, které můžeme využít pro přístup, nebo zajištění systému. Cesta pro uložení nového tagu je podobná jako při ukládání nového telefonního čísla. Je třeba stisknout tlačít- ko Přidat RFID tag a následně přiložit tag ke čtečce. Při nepřiložení tagu do určitého časového limitu je přidání tagu zrušeno. Nově přidaný tag se uklá- dá do comboboxu, ze kterého ho lze odstranit tlačítkem Vymazat RFID tag.

Tlačítkem Uložení RFID tagů systému uloží všechny RFID tagy obsažené v comboboxu do EEPROM paměti systému.

Nastavení zón systému:

• Nastavení zón systému je podokno sloužící pro seskupení jednotlivých senzo- rů do zón (místností). Vytvoření zón a přidání senzorů do zóny je grafická záležitost.

(42)

Základem je načtení vybraného obrázku zobrazujícího půdorys domu, do kte- rého se následně zóny vytvoří. Pro načtení obrázku se používá tlačítko Hledat, po jehož stisknutí prohledáváte adresáře počítače a hledáte vhodný obrázek s příponou .jpeg, .png, .jpg, .gif.

Po vybrání vhodného obrázku se dají vytvořit jednotlivé zóny. Do textboxu vlevo od tlačítka Přidat zónu vložíme název nové zóny. Název nesmí obsahovat diakritiku, nesmí se opakovat a jeho délka nesmí přesáhnout 9 znaků. Tvorbu nové zóny potvrdíme tlačítkem Přidat zónu. Pro vytvoření zóny v obrázku klikneme levým tlačítkem myši a následně zónu táhneme myší do místa, kde ji chceme dokončit. Tam znovu klikneme levým tlačítkem myši a tím ukon- číme vytvoření zóny. Jednotlivé zóny se nesmí překrývat. Systém je omezen maximálně na 8 zón, kde každá zóna může mít maximálně 3 senzory.

Do vytvořené zóny je možné přesouvat drátové a nebo bezdrátové senzory a to kliknutím levým tlačítkem myši na tlačítko senzoru. Tím tlačítko označí- me a přesuneme ho kliknutím levým tlačítkem myši do zóny. Vytvořené zóny můžeme odstranit klinutím pravého tlačítka myši na zónu. Podobně, jako mů- žeme odstranit vytvořené zóny, tak můžeme odstranit i přesunutá tlačítka se senzory. Odstranění tlačítka ze zóny provedeme kliknutím pravým tlačítkem myši na tlačítko symbolizující senzor. Tím ho označíme a následně vybereme, zda ho chceme úplně vymazat nebo pouze přesunout do domovského panelu.

(43)

9 Řízení ústředny pomocí mobilního telefo- nu

Ovládání ústředny lze i přes aplikaci z chytrého telefonu. Nutnou podmínkou ale je předchozí nastavení ústředny přes nastavovací PC aplikaci. Pomocí aplikace z chytrého telefonu můžeme dálkově zajištovat a odjišťovat bezpečnostní systém. V případě narušení zabezpečeného systému a přechodu systému do stavu ALARM je možné z této aplikace zavolat na systém a odposlouchávat, co se v daném objektu odehrává. Aplikace také umožňuje dálkově vypnout stav ALARM.

Obrázek 9.1: Ovládací aplikace pro chytré mobilní telefony s OS Android

9.1 Ovládací aplikace pro chytré telefony

Aplikace pro chytré mobilní telefony nám umožňuje dálkové ovládání systému. Pro komunikaci s ústřednou aplikace využívá SMS zprávy.

Prvotní heslo do aplikace je 1234. Po zadání hesla je nutné aplikaci nastavit a to přechodem do okna Nastavení, ve kterém zadáme telefonní číslo ústředny. Číslo se zadává i s číselnou předvolbou, kde + je nahrazeno kombinací 00. Po zadání čísla stiskneme tlačítko Načtení zón ze systému a vyčkáme na této kartě do doby, než

(44)

přijde nastavovací SMS zpráva. Příchozí zpráva automaticky vykreslí všechny zóny do hlavního okna a od této chvíle je možné aplikaci použít pro dálkové ovládání systému.

Jednotlivé zóny jsou vykresleny jako tlačítka a kliknutím na symbol zámku danou zónu zajistíme/odjistíme. Veškeré provedené změny je nutné odeslat do systému a to tlačítkem Provést změny.

Při kliknutí na tlačítko Logy událostí se dostaneme do okna, kde vi- díme soupis posledních 10 událostí, které jsme z aplikace provedli. Tlačítko Vybrat všechny zóny nám umožňuje zajištění/odjištění všech zón.

9.1.1 Nutná oprávnění aplikace

Aplikace vykonávající činnosti, které používají periferie telefonu jako např. led sví- tilnu, SMS zprávy, volání adt. potřebují oprávnění pro přístup k těmto periferiím.

Aplikace pro dálkové ovládání systému používá 4 periferie telefonu a potřebuje oprávnění k jejich využívání. Jsou to periferie pro přijímání SMS zpráv, odesílání SMS zpráv, čtení SMS zpráv a volání. Aplikace je založena na hledání, čtení a přijímání SMS zpráv. Při vyčtení informací ze zprávy vykreslí jednotlivé zóny se symbolem zajištěno/odjištěno.

9.1.2 Tvalé uložení informací v chytrém telefonu

Nutností aplikace pro dálkové ovládání systému je trvalé uložení informací např.

heslo, telefonní číslo ústředny, vyčtené zóny ze systému atd.

Pro uložení těchto informací aplikace využívá SharedPreferences neboli sdílené nastavení. SharedPreferences není určeno pro ukládání velkých objemů dat, ale pouze klíčových nízkoobjemových dat - řetězců String. Samotná data se ukládají do .xml souboru, který má každá aplikace k dispozici.

(45)

10 Bezdrátové senzory

Obrázek 10.1: Možná podoba bezdrátového senzoru s PIR čidlem

Pro senzorickou část bezpečnostního systému bylo zvoleno použití i bezdrátových senzorů. Předejde se tak sekání drážek do omítky a tahání stíněných kabelů. Toto řešení jistě ocení spousta zájemců o elektronické bezpečnostní zařízení.

Bezdrátový senzor lze umístit do jakékoli místnosti, kde má dosah signálu na ústřednu. Nevýhodou těchto senzorů je jejich spolehlivost. Signál procházející zdivem domu podléhá útlumu a nemusí se dostat k ústředně. Celkově bezdrátové technologie nejsou tak spolehlivé jako drátové. Další nevýhodou bezdrátových senzorů je jejich bateriové napájení.

Byť se nemusí k senzorům přivádět napájení, ale je nutné hlídat stav nabití jejich baterie. Každému senzoru po přivedení náběžné nebo sestupné hrany na pin pro sensorickou komponentu blikne v modulu TR-72-DA led dioda. Červené probliknu- tí signalizuje vybitou baterii a zelené probliknutí nabitou baterii. Tento probém s hlídáním baterie je i programově vyřešen a na displeji ústředny se v případě slabé baterie senzoru objeví jeho interní číslo.

Bezrátové senzory jsou tvořeny bezdrátovými moduly TR-72-DA a zásuvným kitem DK-EVAL-04 obsahujícím baterii. Vývojový kit i bezdrátový modul jsou již z výroby koncipovány tak, aby měly v režimu spánku nebo vysílání co nejnižší odběr proudu (DK-EVAL-04 250 nA; TR-72-DA sleep režim 2,3 uA, režim vysílání, který záleží na nastaveném RF výkonu 8,3 - 21,5 mA). Na výdrž baterie senzoru má ještě vliv připojená komponenta senzoru (jazýčkové relé, PIR sensor, mikrofon atd.) a také spínání komponenty senzoru.

(46)

10.1 Program pro bezdrátové senzory

Program pro bezdrátové senzory byl vytvořen s použitím knihovny IQRF.h, kte- rá definuje jednotlivé piny, registry zásuvného modulu TR-72-DA s procesorem PIC16LF1938.

Celkově jednoduchý program funguje tak, že se každé 2 s probudí z režimu spánku a zkontroluje stav pinů. Jestli na nich není požadovaná logická úroveň, neodesílá přijímači žádné informace. V případě požadované logické úrovně na sledovaném pinu odesílá přijímači informace o svém interním čísle a také stav baterie (0-OK,1-baterie vybitá). Vysílaná zpráva začíná znakem ’S’ jako start a končí znakem ’E’ jako end, toto značení slouží k lepší identifikaci zprávy v ústředně. V hlavičce programu si uživatel může zvolit, zda daný modul bude sloužit jako vysílač nebo jako přijímač.

10.2 Senzorické komponenty

K modulu DK-EVAL-04 je možné připojit velkou škálu senzorických komponent, omezení je pouze v napájení, které je 3,3 V a výstupu senzoru, který by měl být pouze log ’0’ a log ’1’. Tomuto požadavku odpovídají okenní/dveřní senzory ala jazýčková relé, pohybové PIR senzory, infračervené senzory, senzory kontrolující stav hladiny atd.

Pro jiný výstup senzoru, by se musel pozměnit program v modulu TR-72-DA.

(47)

11 Vyhodnocení funkčnosti prototypu systé- mu

Celkově se mi podařilo vytvořit jednoduchý bezpečnostní systém vhodný pro běžný rodinný domek. Testování systému probíhalo v rámci 7 dní, kdy byl systém běžně používán. Při odchodu jsem prostor zajistil a při příchodu odjistil, střídavě pomocí telefonu, klávesnice, nebo RFID tagu. Na testování jsem použil jeden bezdrátový a jeden drátový senzor s jazýčkovým relé.

Systém se jeví jako stabilní a spolehlivý, pouze nebyl rezistentní vůči domá- cím zvířatům. Po dobu testování jsem zažil pouze jeden planý poplach, způsobený vběhnutím kočky do zabezpečeného prostoru.

Díky pečlivému testování můžu konstatovat, že spolehlivost a kvalita systému je vyšší při použití drátových senzorů. Při testování bezdrátových senzorů jsem zaznamenal, že při průchodu signálu několika stěnami a na vetší vzdálenost, dojde k takovému útlumu, že přijímač již paket nepřijme.

Celkově je vyrobený bezpečnostní systém kvalitnější, robustnější a spolehlivější, než li přibližně stejně levný čínský alarm.

Obrázek 11.1: Fotografie výsledného bezdrátového senzoru s PIR komponentou

(48)

Obrázek 11.2: Fotografie vyrobeného bezpečnostního systému

Obrázek 11.3: Fotografie vyrobeného bezpečnostního systému - uložení v krabici

(49)

12 Závěr

V rámci bakalářské práce se mi podařilo vytvořit vícevláknovou WPF aplikaci pro nastavení parametrů bezpečnostního systému, která umí změnit heslo systému, ulo- žit telefonní čísla, tagy a vytvořit jednotlivé zóny, resp. do nich vložit senzory.

Na základě zadání práce jsem vytvořil mobilní aplikaci na telefon s OS Android.

Seznámil jsem se s vývojovým jazykem Java a AS, kde vývojové prostředí i samotný jazyk Java pro mě byly novinky. Prostudoval jsem si základy vývoje mobilních apli- kací, zejména tutoriály na nawww.itnetwork.cz,www.youtube.com. Vytvořil jsem pár jednodušších aplikací např. na ovládání led osvětlení telefonu, nebo zasílání SMS zpráv a po zaučení jsem byl schopný vytvořit aplikaci pro dálkové ovládání ústředny.

Výsledná aplikace umí přes SMS zprávy zajistit/odjistit systém a v případě stavu ALARM umí zavolat na systém a odposlouchávat zabezpečený objekt.

Díky štědrému daru bezdrátových modulů od firmy MICRORISC s.r.o. jsem mohl s moduly TR-72-DA vytvořit bezdrátové senzory s dosahem až 600 m. U mo- dulů jsem připojil senzorickou komponentu, vytvořil vhodný program a zprovoznil komunikaci mezi TR-72-DA a Arduinem.

Nejsložitější a nejpracnější částí systému byla ústředna. Na ústřednu bylo třeba vybrat vhodné komponenty, se kterými by dobře komunikovala, vytvořit algoritmus pro ústřednu, poprat se s nefunkčností GSM/GPRS modulu (stálé restartování), vytvořit zapojení ústředny nanečisto, potom teprve navrhnout plošný spoj, upravit krabičku a následně do ní systém uložit. Cena systému je velice příznivá a to přibližně do 2 500 Kč bez bezdrátových modulů.

Jako největší přínos této práce vidím ve zdokonalení se v programování. Pro- blémy, které se při tvorbě programů vyskytovaly mě nutily stále hledat nová a lepší řešení návrhu aplikací. Rozšířil jsem si znalosti v oblasti vícevláknových aplikací, zejména použití třídy BackgroundWorker a podařilo se mi vytvořit první mobilní aplikaci. Přínosem samozřejmě bylo i řešení hardwarových problémů, pro které ale už nebyla taková podpora na internetu, jako pro softwarové problémy. Ve výsledku jsem rád za funkčí systém, který bude nyní střežit náš rodinný dům. Už nyní mě napadají myšlenky, jak systém vylepšit, rozšířit, nebo udělat lépe.

Podrobnější zhodnocení systému a jeho spolehlivost se ukáže až po jeho detail- nějším otestování v provozu.

(50)

Literatura

item/13-pzts-zakladni-pojmy

produkty/alarmy/alarm-do-domu/

[3] KERUI W18 WIFI GSM Home Burglar Security Alarm Sys- tem,DIY Wireless Accessories | eBay. Electronics, Cars, Fashion, Collectibles, Coupons and More | eBay [online]. Copyright © 1995 [cit. 14.03.2018]. Dostupné z: https://www.ebay.com/itm/KERUI- W18-WIFI-GSM-Home-Burglar-Security-Alarm-System-DIY-Wireless-

Accessories/201655932053?hash=item2ef3a15495:m:m22Sgg0D3LI4bU d1OQ − Sw

[4] Arduino a knihovny – uArt.cz. uArt.cz – Electronics, programming and stuff…

[online]. Dostupné z: https://uart.cz/67/arduino-a-knihovny/

[5] Arduino - EEPROM . Arduino - Home [online]. Dostupné z: https://www.

arduino.cc/en/Reference/EEPROM

[6] Arduino - Wire . Arduino - Home [online]. Dostupné z:https://www.arduino.

cc/en/Reference/Wire

[7] Arduino Playground - Keypad Library . [online]. Dostupné z: https://

playground.arduino.cc/Code/Keypad

[8] Microsoft Visual Studio – Wikipedie. [online]. Dostupné z: https://cs.

wikipedia.org/wiki/Microsoft_Visual_Studio

[9] Visual Studio IDE, Code Editor, VSTS, & App Center [online]. Dostupné z:

https://www.visualstudio.com/cs/vs/wpf/

[10] C# tutorial, programování v C#. C# tutorial, programování v C# [online].

Dostupné z:http://csharp.aspone.cz/

(51)

[11] Singleton (jedináček). itnetwork.cz - Ajťácká sociální síť a materiálová základna pro C#, Java, PHP, HTML, CSS, JavaScript a další. [online]. Copyright © 2018 itnetwork.cz.Veškerý obsah webu [cit. 14.03.2018].

Dostupné z: https://www.itnetwork.cz/navrh/navrhove-vzory/gof/

gof-vzory-pro-vytvareni/singleton-navrhovy-vzor/

[12] Android Studio - nové vývojové prostředí - Zdroják. Zdroják - o tvorbě webo- vých stránek a aplikací [online]. Dostupné z:https://www.zdrojak.cz/clanky/

android-studio-nove-vyvojove-prostredi/

[13] 2. díl - Android programování - Vývojové prostředí. itnetwork.cz - Ajťác- ká sociální síť a materiálová základna pro C, Java, PHP, HTML, CSS, Ja- vaScript a další. [online]. Copyright © 2018 itnetwork.cz.Veškerý obsah webu [cit. 14.03.2018]. Dostupné z: https://www.itnetwork.cz/java/android/

tutorial-programovani-pro-android-v-jave-vyvojove-prostredi

[14] Editor plošných spojů Eagle [online]. Dostupné z: https://www.root.cz/

clanky/editor-plosnych-spoju-eagle/

[15] UART (USART) – komunikujte sériově po dvou vodičích – ZAVAVOV.

ZAVAVOV – Svět plný modelové železnice, elektrotechniky, bastlení, pro- gramování a zábavy [online]. Copyright © 2018 [cit. 14.03.2018]. Dostupné z: http://zavavov.vzap.eu/cz/elektrotechnika/komunikacni-sbernice/

67-uart-usart-komunikujte-seriove-po-dvou-vodicich/

[16] Stručný popis sběrnice I2C a její praktické využití k připojení externí eeprom 24LC256 k mikrokontroléru PIC16F877 | Vývoj.HW.cz. Vývoj.HW.cz | Vše o elektronice a programování [online]. Copyright © 1997 [cit. 14.03.2018]. Do- stupné z: https://vyvoj.hw.cz/navrh-obvodu/strucny-popis-sbernice-i2c-a-jeji- prakticke-vyuziti-k-pripojeni-externi-eeprom-24lc256

[17] Mega2560 Pro Mini - Epalsite Wiki. [online]. Dostupné z: http://wiki.

epalsite.com/index.php?title=Mega2560_Pro_Mini

[18] Arduino MEGA s ATMega2560 - CzechDUINO.cz - První český Arduino obchod. CzechDUINO.cz - CzechDUINO.cz - První český Arduino obchod [online].

?18,arduino-mega-2560

product/product&product_id=116

[20] GSM frequency bands - Wikipedia. [online]. Dostupné z: https://en.

wikipedia.org/wiki/GSM_frequency_bands

[21] *DH servis* Vývoj a výroba elektroniky na zakázku [online]. Dostupné z:http:

//www.dhservis.cz/dalsi/at_prikazy.htm

(52)

[22] Arduino UART 125Khz EM4100 RFID Card Key ID Reader Module RDM6300 (RDM630) | eBay. Electronics, Cars, Fashion, Collectibles, Coupons and More | eBay [online]. Copyright © 1995 [cit. 14.03.2018]. Dostupné z: https://www.ebay.com/itm/Arduino- UART-125Khz-EM4100-RFID-Card-Key-ID-Reader-Module-RDM6300-

RDM630/322041346304?hash=item4afb28f900:g:3mkAAOSw0e9UvMrb

[23] Lekce 33 - Arduino a modul čtečky RFID 125kHz :: Arduino. Home [online].

//arduino8.webnode.cz/news/lekce-33-arduino-a-modul-ctecky-rfid/

[24] IIC/I2C Moudule Afficheur LCD Ecran Bleu 2004 204 20*4 Cha- racter Display Arduino | eBay. Electronics, Cars, Fashion, Collecti- bles, Coupons and More | eBay [online]. Copyright © 1995 [cit. 14.03.2018]. Dostupné z: https://www.ebay.com/itm/IIC-I2C- Moudule-Afficheur-LCD-Ecran-Bleu-2004-204-20-4-Character-Display-

Arduino/302036826462?hash=item4652cc395e:g:sS0AAOSw7PBTok9y

[25] IQRF modul TR72D komunikuje až na vzdálenost 600m | IQRF

Dostupné z: https://www.soselectronic.cz/articles/iqrf/

iqrf-iqrf-modul-tr72d-komunikuje-az-na-vzdalenost-600m-1688

transceivers/tr-72d

[27] UPS zdroj 12V 28W (35) s nabíjením | T-LED.cz. LED osvětlení - Více svítit, méně platit | T-LED.cz [online]. Dostupné z: https://www.t-led.cz/

p/ups-zdroj-12v-35w-s-nabijenim-5221?artnr=221&sizenr=221&gclid=

EAIaIQobChMIgLb2j4zM2QIV1T8bCh0OBgggEAQYASABEgIQjvD_BwE

[28] SIM800 Series AT Command Manual: 1.10 [online]. In: . 2016-05-18 [cit. 2018- 03-14].

http://www.maximalnibezpeci.cz/clanek/ezs-jablotron-100

[30] Zabezpečovací systém alarm Oasis 83 Basic | Drátový systém Oasis 83

| zabezpečovací-zařízení.cz . Zabezpecovani-zarizeni.cz | Alarmy, kamery a detektory [online]. Dostupné z: https://www.zabezpecovaci-zarizeni.cz/

zabezpecovaci-system-alarm-oasis-83-basic-%5Bset501%5D

[31] Nettigo: SIM800L GSM / GRPS module. Nettigo: Arduino, Raspberry Pi

& DIY - discover electronics [online]. Dostupné z: https://nettigo.eu/

products/sim800l-gsm-grps-module