TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SMART KEY
Giới thiệu chung
2.1.1 Giới thiệu hệ thống Smart Key:
Hệ thống chìa khóa thông minh Smart Key cho phép mở cửa và khởi động xe mà không cần chìa khóa, đã trở thành tiêu chuẩn trên các dòng xe mới hiện nay Hệ thống này được phát triển lần đầu bởi Siemens GA vào năm 1995 và được giới thiệu bởi MERCEDES-BENZ trên dòng xe S-Class W220 vào năm 1998 với tên gọi Keyless-Go, một tên gọi vẫn được sử dụng cho đến nay.
Các tên gọi khác nhau của hệ thống smart key:
Aston Martin: Keyless Entry and Push Button Start
BMW: Comfort Access or Display Key
Cadillac: Adaptive Remote Start & Keyless Access
Fiat Chrysler: Keyless Enter-N-Go
Ford: Intelligent Access with Push-button Start
General Motors: Passive Entry Passive Start (PEPS)
Hyundai: Proximity Key and Smart Entry Key
Infiniti: Infiniti Intelligent Key with Push-button Ignition
Jaguar Cars: Smart Key System
Kia Motors: Smart Key System
Mazda: Advanced Keyless Entry & Start System
Mercedes-Benz: Keyless-Go integrated into Smart Key
2.1.2 Hoạt động cơ bản của hệ thống Smart Key:
Hệ thống Smart Key cho phép người lái mở khóa, khóa và khởi động xe mà không cần phải lấy chìa khóa ra khỏi túi Chìa khóa được nhận diện qua các ăng ten trong xe và máy phát xung radio trong bộ điều khiển Tùy theo từng hệ thống, xe sẽ tự động mở khóa khi chạm vào cảm biến trên tay nắm cửa hoặc khi nhấn nút điều khiển Đặc biệt, các dòng xe Hyundai còn tích hợp chức năng Welcome system, cho phép xe nhận diện bộ điều khiển khi người dùng đến gần, tự động mở gương chiếu hậu và nhấp nháy đèn pha xi nhan Ngoài ra, các xe trang bị hệ thống chìa khóa thông minh vẫn có chìa khóa cơ khí dự phòng để sử dụng khi bộ điều khiển hết pin.
Để khởi động xe, chỉ cần nhấn nút khởi động, với điều kiện xe phải có bộ điều khiển Ngoài ra, các dòng xe Ford đời mới như Explorer còn hỗ trợ khởi động từ xa thông qua bộ điều khiển.
Khi rời khỏi xe, bạn có thể khóa xe bằng cách nhấn nút trên tay nắm cửa, sử dụng bộ điều khiển chìa khóa, hoặc chỉ cần đi xa khỏi xe khoảng vài mét Ngoài ra, bạn cũng có khả năng xác định vị trí xe trong phạm vi khoảng 500 mét.
2.1.3 RF (Radio Frequency) và RFID (Radio Frequency Identification):
Tần số Radio Frequency (RF) nằm trong khoảng từ 3 KHz đến 300 GHz, bao gồm các tần số sóng vô tuyến được sử dụng trong các lĩnh vực như truyền hình, phát thanh và điện thoại.
RFID là công nghệ sử dụng sóng vô tuyến để nhận diện và theo dõi đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng RF Công nghệ này cho phép giám sát, quản lý và lưu vết từng đối tượng một cách tự động RFID hoạt động dựa trên việc lưu trữ dữ liệu từ xa, sử dụng thiết bị thẻ RFID kết hợp với đầu đọc RFID.
Hệ thống không dây thu phát sóng RF có khả năng truyền tải thông tin qua các khoảng cách khác nhau mà không cần tiếp xúc vật lý Điều này cho phép thông tin được đọc xuyên qua nhiều môi trường và vật liệu như bê tông, tuyết, và sương mù.
Hệ thống RFID hoạt động trên nhiều tần số, từ 300KHz đến 3GHz, và được chia thành hai loại chính: RFID chủ động và RFID thụ động.
Hệ thống RFID hoạt động ở tần số thấp có phạm vi đọc ngắn và tốc độ đọc dữ liệu hạn chế, nhưng lại hiệu quả trong việc nhận dạng đối tượng gần và trên bề mặt kim loại hoặc chất lỏng Ngược lại, hệ thống ở tần số cao cho phép truyền dữ liệu nhanh hơn và nhận dạng dãy số dài hơn, tuy nhiên, nó dễ bị nhiễu do ảnh hưởng của vật liệu kim loại và chất lỏng trong phạm vi đọc.
2.1.3.3 Hệ thống RFID chủ động:
Trong hệ thống RFID chủ động, thẻ điện tử sử dụng pin để tự phát sóng tín hiệu, truyền tải dữ liệu qua băng tần số siêu cao, với phạm vi quét có thể đạt tới 100 mét.
Thẻ từ của hệ thống RFID chủ động chỉ truyền thông tin khi nhận tín hiệu từ đầu đọc, giúp duy trì tuổi thọ pin khi nằm ngoài vùng phát sóng.
Hình 2.1 Cách thức hoạt động của hệ thống RFID chủ động
2.1.3.4 Hệ thống RFID thụ động:
Trong hệ thống RFID thụ động, thẻ RFID tự tạo ra năng lượng điện để khởi động và phản hồi với đầu đọc khi ở trong vùng phát sóng, do đó không cần pin để hoạt động.
Hình 2.2 Một vài loại thẻ từ RFID
Hệ thống RFID thụ động hoạt động ở các tần số thấp, cao và cực cao, nhưng phạm vi hoạt động của nó bị giới hạn bởi khả năng phát tín hiệu vô tuyến từ thẻ đến đầu đọc Do đó, phạm vi đọc tối đa của hệ thống này thường chỉ đạt khoảng 10m.
2.1.4 RFID trong hệ thống smart key:
Hệ thống Smart Key hoạt động thông qua key fob, một thiết bị phát sóng vô tuyến tích hợp mạch RFID chủ động và thẻ RFID thụ động Mạch RFID chủ động cho phép tài xế mở cửa, khóa cửa hoặc khởi động xe mà không cần chìa khóa cơ khí truyền thống Trong trường hợp pin của key fob cạn, thẻ RFID thụ động sẽ được sử dụng để khởi động xe.
Hệ thống smart key
Có thể nói hệ thống Smart Key là hệ thống bao gồm ba hệ thống con: Smart Entry System, Start System và Immobilizer System
Hình 2.3 Chức năng chính của hệ thống Smart Key
Khóa và mở khóa cửa xe rất tiện lợi với cảm biến trên tay cầm bên ngoài Khi người lái chạm vào cảm biến, cửa sẽ tự động mở khóa Để khóa cửa, chỉ cần bấm nút trên tay cầm khi ra ngoài xe Ngoài ra, trong vùng phát sóng của xe, người lái có thể dễ dàng khóa hoặc mở khóa cửa từ xa bằng cách sử dụng nút trên key fob.
Để khởi động động cơ, bạn cần nhấn nút khởi động, đạp phanh và đảm bảo tay số ở vị trí P hoặc N Sau đó, hãy đặt key fob gần nút khởi động trong vòng 5 giây, tiếp tục đạp phanh và giữ tay số ở vị trí P hoặc N.
Khóa cột lái điện (SLA: Steering Lock Actuator) là một hệ thống chống trộm hiệu quả, cho phép khóa và mở khóa cột lái tự động bằng mô tơ điện Hệ thống SLA được điều khiển bởi hộp Certification ECU, giúp tăng cường an ninh mà không cần sự can thiệp của người lái.
2.2.2 So sánh các phiên bản Toyota Smart Key:
Bảng dưới đây thể hiện sự thay đổi, phát triển của hệ thống Smart Key của
Toyota bắt đầu từ hệ thống 00CY System được trang bị trên xe Lexus LS430 năm
2004 đến hệ thống 05CY System
Hình 2.4 Bảng so sánh các phiên bảng Smart Key của Toyota
2.2.3.1 Sơ đồ vị trí hệ thống Smart Key:
Hình 2.5 Sơ đồ vị trí các bộ phận trong hệ thống Smart Key
2.2.3.2 Mạch điện hệ thống smart key
Sơ đồ hệ thống Smart Key của xe Toyota Fortuner 2017:
Các bộ phận chính trong sơ đồ:
Hộp Certfication ECU đóng vai trò quan trọng trong việc gửi tín hiệu mở/khóa tới Body ECU và kích hoạt ăng ten nhận dạng chìa khóa thông qua các chân kết nối Nó nhận tín hiệu mã chìa khóa từ Smart Door Control Receiver qua chân RDAS, đồng thời tiếp nhận tín hiệu từ nút khởi động qua hai chân SW1 và SW2 Hộp này cũng có khả năng nhận thông tin vị trí khóa tay lái và điều khiển chúng qua giao tiếp LIN, cung cấp đường truyền cho máy chẩn đoán, và tiếp nhận thông tin cơ sở dữ liệu động cơ qua đường truyền CAN Cuối cùng, nó điều khiển hoạt động của các rơ le ACC, IG NO.1 và IG2.
Hộp ECM (Electronic Control Module) nhận tín hiệu từ hộp Certification ECU thông qua giao thức CAN Nó có chức năng điều khiển khởi động bằng rơ le ST NO.1 và xác định vị trí tay số thông qua các chân D, N, R, P.
Hộp Body ECU nhận tín hiệu từ hộp Certification ECU và xác định trạng thái của các cửa Nó điều khiển hoạt động của các mô tơ khóa cửa và quản lý hệ thống đèn trong xe, đảm bảo sự hoạt động đồng bộ và an toàn cho phương tiện.
Khóa tay lái điện (steering lock actuator ) : o Nhận tín hiệu điều khiển từ hộp Certification ECU o Gửi tín hiệu vị trí đến hộp Certification ECU
Công tắc khởi động ( Engine swicth ): o Gửi tín hiệu đến hộp Certification ECU
11 o Đèn báo trạng thái hoạt động o Kết hợp với cuộn antenna, quét mã thẻ RFID và gửi về hộp Certification ECU qua chân CODE và TXCT
Cụm ăng ten (Antennas) trong và ngoài xe: o Nhận tín hiệu yêu cầu từ hộp Certification ECU
Bảng táp lô (Combination Meter): o Thông báo trạng thái hoạt động, lỗi của hệ thống
2.2.3.3 Sơ đồ hoạt động tổng thể:
Hình 2.6 Sơ đồ hoạt động tổng thể
Trong hệ thống Smart Key, hộp Certification ECU nhận dữ liệu về tốc độ động cơ và tốc độ xe từ hộp Engine ECU qua mạng CAN Đồng thời, hộp Certification ECU cũng kết nối với Main Body ECU để truyền dữ liệu chìa khóa qua mạng CAN.
Khởi động động cơ xuất hiện theo quá trình như sau:
Khi công tắc khởi động được bật, hai chân tín hiệu sẽ nối mát (12V → 0V) Công tắc chân phanh và công tắc số phải ở vị trí P hoặc N để tìm chìa khóa bằng cách kích hoạt ăng ten bên trong xe Khi chìa khóa nằm trong xe, thông tin sẽ được gửi tới thiết bị nhận tín hiệu trong hộp Certification ECU Hộp Certification ECU sẽ ủy quyền cho chìa khóa và gửi tín hiệu đến Main Body ECU để kích hoạt rơ le tương thích, từ đó khởi động động cơ.
Động cơ khởi động trong khoảng 1 giây nhưng ngay lập tức ngừng lại, có thể do lỗi chìa khóa hoặc pin bên trong chìa khóa đã hết Để khắc phục, hãy thử khởi động động cơ qua chế độ an toàn.
Nếu hộp Certification ECU không nhận tín hiệu tốc độ động cơ, mô tơ đề sẽ quay trong khoảng 15 đến 20 giây khi khởi động Nguyên nhân là do ECU không xác định được tốc độ quay của động cơ, dẫn đến việc không thể quyết định xem động cơ đã hoạt động hay chưa, từ đó không thể ngắt điều khiển rơ le đề.
2.2.4 Các bộ phận chính của hệ thống:
2.2.4.1 Chìa khóa thông minh (Key fob):
Khóa thông minh là thiết bị điều khiển từ xa, có hình dạng hộp chữ nhật màu đen nhỏ với các nút khóa và mở khóa Chủ sở hữu xe có khóa thông minh đã được đăng ký.
ID trong túi của mình và sẽ có thể vào và khởi động xe mà không cần chìa khóa cơ khí truyền thống
Chìa khóa thông minh được cài đặt một dãy mã duy nhất trong bộ nhớ bởi nhà sản xuất, cùng với mã Vehicle ID lấy từ xe hơi trong quá trình đăng ký.
Hình 2.7 Key fob Toyota Prius
Chìa khóa cơ khí dùng để mở cửa, cốp, hộp găng tay …., dùng khi key fob hết pin, hoặc bị lỗi trong hệ thống
Phần phát tín hiệu RF hoạt động trong dải tần số từ 300-500MHz, bao gồm 315 MHz tại Bắc Mỹ và Nhật Bản, cũng như 433,92 MHz tại châu Âu, nhằm mục đích truyền tín hiệu RF để mở và khóa cửa.
Phần phát tín hiệu LF (low frequentcy 130KHz) dùng cho việc định vị và nhận dạng chìa khóa
Phần transponder, hay còn gọi là chip, được sử dụng để khởi động xe khi chìa khóa hết pin Một số dòng xe còn tích hợp các chức năng tiện ích khác như khởi động xe từ xa và bật điều hòa.
Certification ECU là hộp điều khiển chính của hệ thống Smartkey
Hình 2.8 Certification ECU Toyota Prius Các chức năng chính như:
Kích hoạt ăng ten để tìm kiếm chìa khóa bên trong và bên ngoài xe
Tiếp nhận thông tin chìa khóa thông minh từ hộp bắt tín hiệu
Hộp gửi tín hiệu đến Main Body ECU điều khiển các rơle (ACC, IG NO.1, IG2, ST)
Chức năng chống trộm (Immobilizer): đường truyền tới ECM (module điều khiển động cơ)
Cảnh báo lỗi của hệ thống chìa khóa thông minh: phát ra âm thanh và hiển thị trên bảng đồng hồ táp lô
Điều khiển các đèn chỉ thị trên nút khởi động: không sáng, màu hổ phách, màu xanh lá
2.2.4.3 Tay nắm cửa bên ngoài (Door Outside Handle ):
Hình 2.9 Tay cầm cửa Tay nắm cửa bên ngoài bao gồm:
Phần tạo tín hiệu sóng điện từ (Electrical Key Oscillator): Nhận tín hiệu yêu cầu từ Certification ECU, điều khiển antenna phát sóng
Ăng ten (Antenna): Phát tín hiệu sóng điện từ
Cảm biến chạm (Touch Sensor): Xác nhận hành động mở cửa, gửi tín hiệu đến Certification ECU
Công tắc khóa cửa (Lock Switch): Nhận tín hiệu khóa cửa, gửi tín hiệu đến Certification ECU
2.2.4.4 Các thiết bị tạo sóng tín hiệu và thiết bị nhận tín hiệu:
Hình 2.10 Thiết bị tạo sóng tín hiệu và nhận tín hiệu
Giống như ở tay cầm cửa, các thiết bị tạo sóng điện từ ở trong xe, cửa hành lí nhận lệnh từ Certification ECU và điều khiển các ăng ten riêng
Thiết bị nhận tín hiệu (door control receiver): nhận tất cả tín hiệu từ key fob gửi đến, truyền về Certification ECU xử lí
2.2.4.5 Khóa lái điện (SLA: Steering Lock Actuator):
Hình 2.11 Mạch điện điều khiển khóa lái
Cấu tạo bên trong SLA bao gồm: Mô tơ điện, bánh răng, cảm biến Hall
SLA liên kết với hộp Certification ECU cũng như các hộp điều khiển khác bằng hộp steering block ECU
Đường truyền SLA là giao tiếp LIN giữa hộp Certification ECU và SLA, trong đó chứa thông tin về vị trí khóa lái từ cảm biến Hall cùng với các yêu cầu liên quan đến việc khóa và mở khóa.
THỰC HIỆN MÔ HÌNH
Giới thiệu
Arduino là một board mạch vi xử lý được giới thiệu vào năm 2005, cho phép người dùng phát triển các ứng dụng tương tác với nhau và với môi trường xung quanh Người dùng có thể lập trình cho Arduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++, tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng các dự án sáng tạo.
3.1.2 Giao diện của phần mềm Arduino IDE:
Hình 3.2 Giao diện phần mềm Arduino IDE
Nút kiểm tra chương trình trong phần mềm Arduino IDE giúp người dùng xác định lỗi trong mã lập trình Khi có lỗi, phần mềm sẽ hiển thị thông tin chi tiết về lỗi trong khu vực thông báo, giúp người lập trình dễ dàng khắc phục.
Nút nạp chương trình xuống board Arduino là công cụ quan trọng để chuyển tải mã lập trình vào mạch Arduino Trong quá trình nạp, chương trình sẽ được kiểm tra lỗi để đảm bảo tính chính xác trước khi thực hiện việc nạp xuống mạch.
Khi nhấp vào biểu tượng kính lúp, giao diện tương tác với máy tính sẽ được mở ra, cho phép người dùng hiển thị các thông số mong muốn Để đưa thông số lên màn hình, cần sử dụng lệnh Serial.print() nhằm truyền tải thông tin cần thiết.
VÙNG LẬP TRÌNH: o Vùng này để người lập trình thực hiện việc lập trình cho chương trình của mình
VÙNG THÔNG BÁO THÔNG TIN: o Có chức năng thông báo các thông tin lỗi của chương trình hoặc các vấn đề liên quan đến chương trình được lập
SỬ DỤNG MỘT SỐ MENU THÔNG DỤNG TRÊN PHẦN MỀM ARDUINO IDE
Trong phần mềm IDE, menu File là menu phổ biến nhất, cung cấp các tính năng như mở và lưu file Đặc biệt, mục Example trong menu này rất hữu ích, vì nó cung cấp các ví dụ có sẵn cho lập trình viên tham khảo, giúp tiết kiệm thời gian lập trình Một ví dụ điển hình là chương trình led chớp tắt (blink), thường được sử dụng để kiểm tra board mạch Arduino khi mới mua về.
Menu Tools là một trong những menu quan trọng khi sử dụng Arduino Sau khi kết nối board Arduino với máy tính, người dùng cần truy cập vào Tools -> Board để chọn loại board phù hợp Mặc định, phần mềm sẽ chọn kiểu board là Arduino Uno.
Khi kết nối board mạch Arduino với máy tính, việc chọn cổng COM là rất quan trọng Người dùng cần vào mục Tools -> Serial Port (hoặc Port) để chọn cổng COM, chẳng hạn như COM5, khi lần đầu kết nối Những lần kết nối sau, cổng COM sẽ được nhớ và tự động nhận diện.
Khi kết nối Arduino 52 vào máy tính, bạn không cần chọn cổng COM Tuy nhiên, nếu sử dụng board Arduino khác, bạn sẽ cần phải chọn lại cổng COM, và quy trình thực hiện vẫn tương tự.
Hình 3.5 Chọn cổng cho arduino
3.1.3 Các board, linh kiện, thiết bị dùng thi công:
Tổng quan mô hình hệ thống Smart Key
53 Hình 3.7 Mặt trước của mô hình
54 Hình 3.8 Mặt sau của mô hình
Hình 3.9 Board mạch Arduino Mega 2560
Vi điều khiển chính ATmega2560 Điện áp hoạt động 5V Điện áp vào 7-12V (khuyến nghị 7-9V) Điện áp vào giới hạn 6-20V
Số chân Digital 54 (15 chân PWM)
Dòng DC trên mỗi chân 40mA
Dòng DC trên chân 3.3V 50mA
Bộ nhớ Flash 256 KB (8 KB dùng cho bootloader)
Tần số xung clock 16 MHz
Bộ xử lý chính đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các rơ le, đèn và còi Nó nhận tất cả tín hiệu từ các cảm biến và công tắc, cũng như tín hiệu từ board mạch Arduino phụ.
Hình 3.10 Board mạch Arduino Uno
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
Chức năng của bộ xử lý phụ là quét mã ID của thẻ RFID, đồng thời xác minh tính hiệu và kiểm tra key fob trong khu vực xung quanh xe.
Hình 3.11 Board mạch Arduino Nano
14 cổng vào/ra số đầu vào RX, TX, D2 ~ D13
1 TTL cấp cổng nối tiếp cổng thu phát RX/TX
Sử dụng vi điều khiển Atmel Atmega328P-AU
Hỗ trợ nối tiếp tải về
Hỗ trợ nguồn điện bên ngoài 3.3V ~ 10V DC
Hỗ trợ sử dụng pin 9V
Tần số xung clock 16MHz
CHỨC NĂNG: là bộ xử lí điều khiển hoạt động của key fob
Mạch thu phát RFID RDM630 125kHz UART là một module phổ biến để đọc thẻ RFID, tương thích với board Arduino qua giao thức UART đơn giản Module này có baud rate cố định là 9600, N, 8, 1, và mã RFID trả về là mã ASCII gồm 10 chữ số, do đó cần lưu ý chọn bảng mã phù hợp để đảm bảo nhận diện chính xác mã thẻ.
Mức tín hiệu giao tiếp:TTL
Điện áp hoạt động :DC 5V
Khoảng cách nhận thẻ:
