TÌM HIỂU CHUNG VỀ GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH VÀ VẤN ĐỀ QUẢN LÝ, GIÁM SÁT XE TRONG CÁC DOANH NGHIỆP XÂY DỰNG HIỆN NAY
Tìm hiểu chung về Giám sát hành trình
Lịch sử ra đời của thiết bị giám sát hành trình.
Thiết bị giám sát hành trình, hay còn gọi là Tachograph, đã trở nên quen thuộc với người dùng hiện đại, nhưng ít ai biết rằng nó có lịch sử phát triển hơn 100 năm Từ "Tachograph" được hình thành từ hai từ Hy Lạp: “Tachos” có nghĩa là tốc độ và “Graphein” có nghĩa là ghi chép, mở rộng ý nghĩa của nó để chỉ thiết bị giám sát hành trình.
Hình 1.1 Analog Tachograph thời đầu [1]
Tachograph analog đời đầu bao gồm hai phần chính: phần hiển thị thông số (Analog Tachograph Face) và phần ghi dữ liệu (Analog Tachograph Chart), như được mô tả trong Hình 1.2 và Hình 1.3.
Hình 1.2 Analog Tachograph Face [1]
Hình 1.3 Analog Tachograph Chart [1]
Cha đẻ của thiết bị giám sát hành trình là Max Maria von Weber (1822 -
Năm 1835, kỹ sư người Đức đã hoàn thiện thiết kế và đưa vào hoạt động thiết bị giám sát hành trình đầu tiên trên tàu hỏa Tuy nhiên, vào thời điểm đó, thiết bị này chỉ ghi nhận thông tin hạn chế, không đáp ứng được nhu cầu đa dạng của công chúng.
Từ năm 1902 đến 1920, thiết bị giám sát hành trình đã có những thay đổi đáng kể, cho phép ghi lại thông tin quan trọng về lái xe và phương tiện, xác định vị trí, quãng đường và vận tốc Sự ra đời của thiết bị giám sát hành trình ô tô đã đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và giám sát hoạt động của các doanh nghiệp vận tải.
Vào năm 1985, các quốc gia thành viên Liên hiệp châu Âu (EU) đã quy định lắp đặt thiết bị giám sát hành trình nhằm tối đa hóa lợi nhuận cho doanh nghiệp vận tải Điều này cho thấy sự nhận thức sớm về tầm quan trọng của thiết bị này Qua nhiều lần cải tiến, thiết bị giám sát hành trình đã phát triển thành một sản phẩm tích hợp nhiều tính năng hiện đại.
Vào ngày 8/3/2011, Bộ Giao thông vận tải Việt Nam đã ban hành Thông tư số 08/2011/TT-BGTVT, quy định Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về thiết bị giám sát hành trình ô tô, mã số QCVN 31:2011/BGTVT Theo quy định, từ ngày 01/07/2012, tất cả các xe ô tô phải được trang bị thiết bị giám sát hành trình Sau gần 10 năm thực hiện, nhiều mẫu thiết bị giám sát hành trình đã được đưa ra thị trường, bao gồm sản phẩm từ các công ty lớn như Viettel, Vcomsat, và BA GPS Tất cả các sản phẩm này đều cần đáp ứng các chức năng cơ bản của thiết bị giám sát hành trình.
Tính năng ghi chép liên tục cho phép lưu trữ thông tin chi tiết về xe và lái xe, hành trình di chuyển, tốc độ xe, số lần dừng đỗ, cũng như thời gian làm việc của lái xe.
- Tính năng gửi dữ liệu lên máy chủ thông qua Internet.
Tính năng tự kiểm tra cho phép người dùng theo dõi các tín hiệu báo trạng thái hoạt động, bao gồm tình trạng sóng GSM, tình trạng GPS, kết nối với máy chủ và hoạt động của bộ nhớ.
Ngoài những thông tin cơ bản đã đề cập, thiết bị giám sát hành trình còn có thể được trang bị thêm nhiều chức năng quản lý khác tùy thuộc vào nhu cầu của doanh nghiệp vận tải Dưới đây là hình ảnh minh họa cho một số thiết bị giám sát hành trình hiện có trên thị trường.
Hình 1.4 Thiết bị giám sát hành trình của Viettel [2]
Hình 1.5 Thiết bị giám sát hành trình của VCOMSAT [2]
Cấu tạo chung của một thiết bị giám sát hành trình.
Thiết bị giám sát hành trình, hay còn được gọi là hộp đen, là một thiết bị hoàn chỉnh với cấu tạo bao gồm nhiều bộ phận chính.
Bộ xử lý trung tâm đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và xử lý dữ liệu, cũng như điều khiển mọi hoạt động của thiết bị Các vi điều khiển 8/16/32 bit được sử dụng phổ biến, trong đó vi điều khiển lõi ARM 32 bit hiện nay đang chiếm ưu thế.
Bộ phận lưu trữ thông tin có nhiệm vụ lưu trữ các dữ liệu thu thập được trong quá trình vận hành thiết bị, phục vụ cho việc sử dụng trong tương lai Các thông tin được lưu trữ bao gồm thông tin lái xe, thông tin của xe, thời gian vận hành hoặc kết thúc phiên làm việc, hành trình và tốc độ của xe Hiện nay, các phương pháp lưu trữ phổ biến bao gồm thẻ nhớ SDCard và chip nhớ Flash.
- Bộ phận GPS: Nhiệm vụ là xác định vị trí ( Kinh độ, vĩ độ) và vận tốc di chuyển của xe.
Bộ phận 2G/3G/4G có nhiệm vụ thiết lập kết nối TCP/IP qua mạng di động, cho phép thiết bị và máy chủ giao tiếp và trao đổi dữ liệu liên tục trong suốt quá trình hoạt động.
- Bộ phận nhận diện lái xe: Nhiệm vụ là xác định thông tin lái xe thông qua RFID hoặc Camera.
- Bộ phận truyền thông RS232/485: phục vụ việc truy xuất dữ liệu được lưu trữ ngay tại thiết bị.
Để thiết bị hoạt động hiệu quả, cần có các khối chức năng như cung cấp nguồn điện, tiếp nhận dữ liệu từ cảm biến và điều khiển các cơ cấu chấp hành.
Hình 1.6 là các thành phần của một thiết bị GSHT thông thường trên thị trường hiện nay.
Hình 1.6 Các thành phần của một bộ thiết bị GSHT [2]
Lợi ích của việc sử dụng thiết bị giám sát hành trình.
Thiết bị giám sát hành trình giúp xác định được chính xác vị trí xe khi đang di chuyển (Hình 1.7):
Nhu cầu theo dõi vị trí xe của chủ xe và nhà quản lý doanh nghiệp ngày càng gia tăng, đặc biệt khi sử dụng thiết bị giám sát hành trình Việc lắp đặt thiết bị này giúp chủ xe xác định vị trí xe trong các tình huống cho thuê hoặc khi cho người khác mượn Hơn nữa, thiết bị còn hỗ trợ nhanh chóng xác định vị trí xe trong trường hợp bị đánh cắp, tạo điều kiện thuận lợi cho việc báo cáo với cơ quan chức năng để tìm kiếm hiệu quả hơn.
Hình 1.7 Lắp thiết bị GSHT để theo dõi phương tiện [2]
Vấn đề quản lý, giám sát xe trong cách doanh nghiệp xây dựng
Giai đoạn 2010-2016, số lượng doanh nghiệp xây dựng tại Việt Nam tăng trưởng trung bình 7,3% mỗi năm, phản ánh sự phát triển mạnh mẽ của ngành này Sự gia tăng doanh nghiệp xây dựng diễn ra trên hầu hết các địa phương trong cả nước, mặc dù khu vực doanh nghiệp nhà nước có xu hướng giảm do chính sách cổ phần hóa.
Theo Tổng điều tra kinh tế năm 2017, tính đến ngày 31/12/2016, cả nước có 65.306 doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực xây dựng, chiếm khoảng 13% tổng số doanh nghiệp đang hoạt động Số lượng doanh nghiệp trong ngành này đã tăng gấp 1,5 lần so với cùng kỳ năm 2010.
Hình 1.9 Số lượng doanh nghiệp tại thời điểm 31/12 hàng năm [3]
Theo Tổng cục Thống kê, năm 2018 ghi nhận 16.735 doanh nghiệp xây dựng mới, chiếm 12,7% tổng số doanh nghiệp mới thành lập, tăng 4,4% so với năm trước Tuy nhiên, nhiều doanh nghiệp, đặc biệt là vừa và nhỏ, vẫn sử dụng phương pháp truyền thống trong quản lý và giám sát, chưa áp dụng công nghệ hiện đại Việc quản lý hệ thống xe công trình chủ yếu vẫn dựa vào con người trực tiếp tại hiện trường, dẫn đến những ưu và nhược điểm nhất định trong quy trình vận hành.
Phương pháp truyền thống này đã được áp dụng lâu dài, mang lại nhiều ưu điểm, đặc biệt phù hợp cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ với số lượng xe công trình hạn chế, giúp dễ dàng thực hiện và quản lý.
Nhược điểm của việc sử dụng con người trực tiếp trong quản lý và giám sát tại hiện trường là tính minh bạch và chính xác của thông tin không được đảm bảo Khi doanh nghiệp mở rộng với số lượng xe công trình lớn, việc kiểm soát và quản lý trở nên khó khăn hơn.
Trong bối cảnh nền công nghiệp 4.0, việc ứng dụng công nghệ vào quản lý và giám sát vận hành doanh nghiệp xây dựng là vô cùng cần thiết Xây dựng hệ thống quản lý và giám sát máy công trình giúp thu thập thông tin một cách chính xác và đầy đủ Điều này cho phép chủ doanh nghiệp theo dõi và giám sát từ xa, từ đó đưa ra những quyết định phù hợp.
Máy móc và xe công trình có thể được phân loại dựa trên mục đích sử dụng Dưới đây là một số loại máy móc và xe công trình phổ biến thường gặp, minh họa qua hình ảnh Hình 1.10.
Hình 1.10 Một số loại máy và xe công trình phổ biến [3]
Các loại xe công trình thường hoạt động tại các công trường, tiếp xúc lâu dài với môi trường bên ngoài, tạo nên một môi trường làm việc đặc thù Do đó, việc lắp đặt thiết bị giám sát hành trình thông thường của ô tô vào xe công trình là không hợp lý.
- Môi trường làm việc khắc nghiệt, yêu cầu thiết bị phải có khả năng vận hành ổn định trong thời gian dài ở môi trường này.
Trong lĩnh vực xây dựng, việc quản lý, giám sát và lập báo cáo về lượng tiêu thụ nhiên liệu, đặc biệt là dầu, là điều cực kỳ quan trọng đối với các chủ doanh nghiệp Khác với các phương tiện giao thông thông thường, yêu cầu này không quá khắt khe, nhưng trong ngành xây dựng, nó trở thành một yếu tố thiết yếu để đảm bảo hiệu quả và tiết kiệm chi phí.
Hệ thống quản lý giám sát hành trình hiện nay do nhiều hãng sản xuất khác nhau cung cấp, nhưng mỗi hãng lại có một hệ thống quản lý riêng biệt, dẫn đến khó khăn trong việc tích hợp vào hệ thống giám sát hiện có của doanh nghiệp.
Hiện nay, thiết bị giám sát hành trình chưa đáp ứng đầy đủ yêu cầu trong việc quản lý và giám sát máy công trình Thị trường hiện tại cũng thiếu các thiết bị chuyên biệt cho lĩnh vực giám sát máy công trình.
Xây dựng giải pháp thiết kế hệ thống
Việc thiết kế thiết bị thu thập dữ liệu hiện trường cho hệ thống quản lý và giám sát máy công trình mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng tối ưu hóa quy trình làm việc, nâng cao hiệu quả giám sát và đảm bảo tính chính xác trong việc thu thập thông tin.
- Phù hợp với đặc thù công việc.
- Phù hợp với điều kiện môi trường làm việc.
- Dễ dàng tích hợp vào hệ thống quản lý riêng của doanh nghiệp.
Đồ án này đề xuất giải pháp thiết kế và chế tạo thiết bị trung gian kết nối giữa người quản lý và xe công trình, nhằm nâng cao hiệu quả thu thập thông tin tại hiện trường Giải pháp thiết kế sẽ điều chỉnh một thiết bị giám sát hành trình thông thường để phù hợp hơn với nhu cầu của xe công trình, đảm bảo thông tin được thu thập liên tục và chính xác.
Xây dựng yêu cầu của hệ thống
Dựa trên giải pháp đã trình bày ở mục 1.3, đồ án sẽ xác định các yêu cầu thiết kế cho các thành phần bao gồm: thiết bị gắn xe, vỏ hộp thiết bị và giao diện người dùng.
* Các yêu cầu đối với Server và Database:
Hệ thống quản lý theo dõi xe công trình được thiết kế để nâng cao hiệu quả vận hành trong doanh nghiệp xây dựng, với việc thu thập dữ liệu để giám sát máy công trình là một phần quan trọng Để thực hiện điều này, cần phát triển một giao diện web giúp hiển thị và theo dõi thông tin một cách hiệu quả Các yêu cầu đối với server và giao diện web sẽ được xác định để đảm bảo hệ thống hoạt động tối ưu.
Giao diện web cần phải thân thiện và dễ sử dụng, đảm bảo các chức năng cơ bản như hiển thị thông tin từ thiết bị gửi lên, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ, trạng thái hoạt động và vị trí của xe Ngoài ra, giao diện cũng phải vẽ lại hành trình di chuyển của thiết bị, trích xuất dữ liệu hành trình, quản lý thời gian làm việc của lái xe và cho phép cấu hình thiết bị từ server.
- Đối với server, yêu cầu phải có khả năng xử lý được luồng dữ liệu từ nhiều thiết bị gửi lên.
Để quản lý hiệu quả, cơ sở dữ liệu cần lưu trữ thông tin về phiên làm việc của lái xe, lộ trình xe trong ít nhất 30 ngày, cùng với các dữ liệu thu thập từ cảm biến mà thiết bị gửi lên.
* Đối với thiết bị gắn xe và vỏ hộp:
Thiết bị phải đáp ứng được các chức năng cơ bản sau:
Xác định tài xế bằng công nghệ RFID cho phép theo dõi thời gian bắt đầu và kết thúc phiên làm việc, từ đó giúp xác định thời gian làm việc liên tục của tài xế một cách chính xác.
- Xác định vị trị của xe thông qua GPS.
- Đo tốc độ di chuyển thông qua GPS và qua cảm biến tiệm cận, từ đó xác định được thời gian và quãng đường di chuyển.
- Đo thông số về môi trường như nhiệt độ độ ẩm, điện áp làm việc của ắc quy.
- Gửi tất cả các thông số đo được lên server.
- Cho phép cấu hình từ server.
- Hiển thị trạng thái làm việc, trạng thái GPS, trạng thái kết nối với server, tình trạng bộ nhớ thông qua màn hình hoặc đèn led.
- Lưu trữ các thông số đo được vào bộ nhớ Cho phép trích xuất dữ liệu từ bộ nhớ qua phần mềm của bộ GTVT.
Ngoài ra thiết bị phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- Khả năng làm việc ổn định trong thời gian dài ở điều kiện khắc nghiệt (Nhiệt độ và độ ẩm thay đổi; bụi; rung lắc; …)
- Khả năng kết nối ổn định với server.
- Khả năng lưu trữ dữ liệu trong thời gian tối thiểu 30 ngày. Đối với vỏ hộp, yêu cầu như sau:
- Có kết cấu chắc chắn, phải có khả năng bảo vệ phần mạch bên trong khỏi các tác nhân bên ngoài như nhiệt độ, độ ẩm, bụi, rung lắc
- Khả năng chịu lực cao Không bị nứt vỡ khi chịu ngoại lực mạnh tác động vào.
- Khả năng lắp đặt vào xe.
* Cách thức hoạt động của thiết bị:
Khi thiết bị được lắp đặt trên xe, nó nhận nguồn từ ắc quy xe và liên tục đo lường các thông số để gửi lên server, ngay cả khi chưa có tài xế đăng nhập Khi tài xế quét thẻ RFID để đăng nhập, thiết bị sẽ kiểm tra tính hợp lệ của ID với server; nếu ID hợp lệ, tài xế sẽ được xác nhận đã đăng nhập thành công Từ thời điểm này, thiết bị sẽ bắt đầu ghi nhận thời gian làm việc cho đến khi tài xế quét thẻ RFID một lần nữa để đăng xuất, và thông tin này cùng với thời gian làm việc sẽ được đồng bộ hóa lên server.
Tần suất gửi thông tin lên server được cấu hình linh hoạt theo từng thời điểm trong ngày Cụ thể, khi xe không di chuyển trong thời gian dài, tần suất gửi thông tin sẽ giảm và các thiết bị ngoại vi không cần thiết sẽ được tắt để tiết kiệm năng lượng.
Kết luận chương
Trong CHƯƠNG 1, đồ án đã khảo sát quản lý và giám sát xe trong doanh nghiệp xây dựng, phân tích tình hình nghiên cứu và ưu, nhược điểm của các hệ thống hiện có trong nước Mục tiêu là đề xuất giải pháp tổng thể cho hệ thống thiết kế Tiếp theo, các yêu cầu cụ thể cho từng phần của hệ thống sẽ được đặt ra, và CHƯƠNG 2 sẽ tìm kiếm các lựa chọn thiết kế phù hợp với bài toán đã xác định.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Thiết kế tổng thể
Khi thiết kế hệ thống thu thập thông tin hiện trường, tôi dựa trên mô hình giám sát hành trình cho xe ô tô thông thường Hệ thống này bao gồm nhiều thiết bị thu thập thông tin được gắn trên các xe cần giám sát tại công trường Dựa trên đó, tôi đã đưa ra hai phương án thiết kế khác nhau.
Mỗi xe sẽ được trang bị một thiết bị để quản lý và thu thập thông tin, với khả năng giao tiếp giữa các thiết bị trên từng xe Dữ liệu từ các thiết bị này sẽ được truyền về một thiết bị chính, từ đó đẩy thông tin lên server để quản lý hiệu quả.
Phương án 2 là giải pháp tối ưu cho hệ thống quản lý và giám sát, trong đó mỗi xe được trang bị một thiết bị hoạt động độc lập, có khả năng kết nối trực tiếp với server để truyền và nhận dữ liệu Khác với phương án 1, yêu cầu các thiết bị phải chung một chuẩn giao tiếp không dây như wifi, lora hay zigbee, phương án 2 sử dụng mạng GSM/GPRS, cho phép thiết bị hoạt động ở phạm vi rộng lớn, chỉ cần có sóng GSM/GPRS Điều này không chỉ giúp tăng tốc độ gửi và nhận dữ liệu mà còn loại bỏ các hạn chế về phạm vi giao tiếp và chi phí phát sinh từ việc sử dụng gateway Hình 2.1 minh họa sơ đồ tổng quát cho phương án này, cho thấy sự hiệu quả và linh hoạt trong việc quản lý thiết bị.
Hình 2.1 trình bày sơ đồ tổng quan về giải pháp thiết kế hệ thống Đối với mô hình kết nối giữa các thiết bị gắn xe và máy chủ, tôi đã lựa chọn các giao thức dựa trên mô hình bảy tầng OSI, như thể hiện trong Hình 2.2.
Hình 2.2 Mô hình 7 tầng OSI.
Trong 7 tầng, em sẽ lựa chọn các giao thức liên quan đến đồ án như sau:
* Lựa chọn giao thức tầng vật lý (Physical Layer):
Như đã trình bày ở trên, đồ án lựa chọn sử dụng mạng GSM/GPRS để truyền nhận dữ liệu với server.
Trong đồ án này, chúng tôi đã chọn giao thức TCP cho tầng giao vận nhằm đảm bảo rằng dữ liệu được truyền tải một cách toàn vẹn và đáng tin cậy giữa server và thiết bị.
* Lựa chọn giao thức tầng ứng dụng (Application):
Mặc dù giao thức TCP cho phép kết nối và trao đổi dữ liệu giữa server và thiết bị, nhưng khối lượng công việc sẽ tăng lên do cần xử lý thêm các gói tin ở tầng giao vận, bên cạnh việc xử lý tại tầng ứng dụng.
Hiện nay, nhiều giao thức ở tầng ứng dụng như HTTP và MQTT đã được phát triển để xử lý hiệu quả các gói tin TCP, và chúng đang được sử dụng rộng rãi.
Do hạn chế về khả năng xử lý của thiết bị phần cứng so với máy tính, cùng với băng thông mạng không ổn định, việc đảm bảo gói tin có kích thước nhỏ gọn và giao thức tiêu tốn ít băng thông là rất quan trọng Vì lý do này, giao thức MQTT đã được phát triển và sẽ được lựa chọn cho đồ án.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ trình bày thiết kế tổng quan và chi tiết các khối trong thiết bị thu thập thông tin hiện trường, hay còn gọi là thiết bị giám sát máy công trình Hệ thống trong mỗi thiết bị được chia thành các khối, như thể hiện trong Hình 2.3.
Hình 2.3 Sơ đồ thiết kế thiết bị giám sát máy công trình.
Chức năng của từng khối được trình bày ngắn gọn như sau:
Khối 1 - Khối nguồn là trái tim của thiết bị, quyết định sự vận hành ổn định của nó Khối này nhận điện áp trực tiếp từ ắc quy xe công trình (12-24-36VDC) và chuyển đổi thành các mức điện áp phù hợp cho các thành phần khác Các mức điện áp bao gồm 12 VDC cho tải bên ngoài, 5VDC cho các thiết bị ngoại vi, 4.2VDC cho khối GSM/GPRS, và 3.3VDC cho các khối còn lại.
Khối 2 là khối hiển thị và thông báo, giúp người vận hành xe hoặc máy công trình nắm bắt trạng thái hoạt động của thiết bị Khối này bao gồm hệ thống đèn LED báo trạng thái như Nguồn, GPS, GSM, RFID; màn hình OLED 1.3” và còi buzzer, cung cấp thông tin cần thiết cho người sử dụng.
Khối 3 – Khối Flash/SD Card có nhiệm vụ lưu trữ thông tin giám sát liên tục trong tối thiểu 30 ngày, bao gồm tốc độ, vị trí của xe và các thông tin khác về xe, thiết bị cũng như người lái Việc sử dụng thẻ SD card kết hợp với chip nhớ flash tốc độ cao giúp đảm bảo việc lưu trữ hiệu quả và đáng tin cậy cho các dữ liệu quan trọng này.
Khối 4 – Khối RFID là hệ thống nhận dạng người lái, sử dụng công nghệ thẻ RFID để xác định danh tính người dùng So với các phương pháp khác như vân tay, mã QR/mã vạch hay mật khẩu cá nhân, thẻ RFID được chọn vì tính tiện lợi, dễ sử dụng và độ bảo mật cao Đầu đọc RFID được sử dụng có tần số hoạt động 13.56Mhz, phù hợp với quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về thiết bị GSHT.
Khối 5 – Khối MCU là bộ não của thiết bị, chịu trách nhiệm xử lý và tính toán các công việc được lập trình sẵn Để đảm bảo yêu cầu về tốc độ và khả năng tương tác với các ngoại vi, chúng tôi lựa chọn chip ARM Cortex M3 của ST, cụ thể là STM32F103RCT6 Lý do và các tính toán liên quan sẽ được trình bày chi tiết trong phần thiết kế phần cứng.
- Khối 6 – Khối cảm biến IN/OUT: Đây là khối phục vụ việc chuẩn hóa, nhận tín hiệu từ các cảm biến để đưa vào MCU.
- Khối 7 – Khối RS232/Debug: Khối này nhằm gửi các thông tin phục vụ yêu cầu đọc dữ liệu từ phần mềm phân tích dữ liệu của bộ GTVT.
Khối 8 – Khối GSM/GPRS là phần quan trọng để thực hiện việc trao đổi dữ liệu giữa thiết bị và server thông qua mạng GPRS Trong bài viết này, tôi đã chọn Module SIM800C của SIMCOM để phục vụ cho mục đích này.
Thiết kế sơ đồ nguyên lý
Dựa trên sơ đồ khối tổng thể của hệ thống đã được trình bày, phần này của báo cáo sẽ tập trung vào thiết kế, tính toán và lựa chọn linh kiện cho từng khối cụ thể.
Sau khi hoàn thành sơ đồ khối, bước tiếp theo là thiết kế sơ đồ nguyên lý Hình 2.5 minh họa chi tiết các sơ đồ khối phần cứng được kết nối với nhau.
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý tổng thể thiết bị.
Khối nguồn là phần thiết yếu cung cấp năng lượng cho toàn bộ thiết bị, được coi như trái tim của hệ thống, ảnh hưởng đến sự ổn định và tuổi thọ của thiết bị Việc thiết kế khối nguồn một cách cẩn thận là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động liên tục Để thực hiện điều này, trước tiên cần xác định mức tiêu thụ năng lượng của các khối chính trong mạch, thông qua Datasheet của từng thành phần Đối với MCU STM32F103RCT6, mức tiêu thụ năng lượng có thể được tham khảo từ công cụ STM32CubeMX của STMicroelectronics, cho thấy dòng tiêu thụ khi tất cả các ngoại vi hoạt động rơi vào khoảng 41mA.
Năng lượng tiêu thụ trung bình của MCU khi tất cả các ngoại vi cần thiết hoạt động đồng thời được thể hiện trong Hình 2.6 Đối với các thành phần khác, tôi đã tham khảo Datasheet từ các nhà cung cấp để ước lượng năng lượng tiêu thụ trung bình của các linh kiện, như thể hiện trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Mức độ tiêu thụ năng lượng của các khối chính trong mạch
Module SIM800 có nhiều chế độ hoạt động với mức tiêu thụ năng lượng khác nhau, do đó cần thiết kế hệ thống nguồn riêng biệt cho module này, tách rời khỏi các thành phần khác của thiết bị Bảng 2.2 trình bày mức tiêu thụ năng lượng của module SIM800 trong từng chế độ hoạt động.
Bảng 2.2 Mức tiêu thụ năng lượng của module SIM800
Từ bảng trên ta có thể thấy rằng, có thời điểm module SIM800 có thể tiêu thụ
1 dòng cỡ 2A Do đó cần phải tính toán thiết kế nguồn riêng cho module SIM800 tách biệt với nguồn cho các thành phần còn lại của hệ thống.
Nguồn điện tối đa cần cung cấp cho thiết bị là 3A, có thể đáp ứng từ ắc quy xe, với dòng 2A cho module SIM800 chỉ kéo dài trong khoảng thời gian ngắn Do đó, một mạch nguồn Buck 3.5A sẽ được thiết kế riêng cho SIM800, trong khi các thành phần khác sẽ sử dụng các mạch LDO với dòng điện khoảng 500mA Điện áp cung cấp từ ắc quy xe dao động từ 12V-36VDC, cần có hệ thống bảo vệ và lọc điện áp để tránh xung điện cao áp gây hư hại trong quá trình khởi động hoặc tắt máy Hệ thống bảo vệ bao gồm cầu chì tự phục hồi 40V-3.5A, tụ chống sét C3, diode bảo vệ ngược cực D1, cùng cuộn lọc L1 và các tụ C1, C2 để lọc phẳng điện áp vào.
Hình 2.7 Khối bảo vệ, lọc điện áp đầu vào
2.2.1.1 Thiết kế mạch nguồn Buck cho SIM800 Điện áp VIN sau khối này có thể nói là đã khá đẹp và có thể dùng để cấp cho hệ thống mạch LDO và mạch Buck ở sau Đối với module SIM800, cần thiết kế một mạch Buck riêng Các thông số cơ bản đối với mạch Buck này như sau:
IC nguồn TPS54360 của hãng TI là một lựa chọn lý tưởng nhờ vào chất lượng cao, giá thành hợp lý và hiệu suất chuyển đổi vượt trội Sản phẩm này đặc biệt phù hợp cho các thiết bị yêu cầu tính nhỏ gọn.
IC này được trình bày ngắn gọn như sau:
- Dải điện áp vào rộng: 4.5V-60V
- Dòng liên tục cỡ 3.5A, có thể peak lên 4.5A
- Dòng không tải nhỏ ~ 146uA
- Tự động lock chip khi V IN
