Giám sát và cảnh báo hoạt động phương tiện vận tải ô tô

TỔNG QUAN

Quá trình phát triển kinh tế, công nghiệp hóa và hiện đại hóa đã tạo ra nền tảng cho đô thị hóa, dẫn đến nhu cầu di chuyển ngày càng tăng Sự gia tăng phương tiện giao thông như xe gắn máy, ô tô, xe tải và xe buýt đã gây ra nhiều vấn đề như ùn tắc và tai nạn giao thông, làm khó khăn trong việc cảnh báo rủi ro cho người điều khiển Do đó, việc quản lý và giám sát tình trạng phương tiện giao thông trở nên rất quan trọng và cần thiết đối với người dùng Chính phủ đã ban hành nghị định số 86/2014/NĐ-CP để giải quyết những vấn đề này.

Nghị định 86/2014, ban hành ngày 10/9/2014, thay thế cho nghị định 91/2009/NĐ-CP và 93/2012/NĐ-CP, quy định về việc lắp đặt thiết bị giám sát hành trình bắt buộc cho xe kinh doanh vận tải, có hiệu lực từ ngày 01/12/2014 Theo nghị định, tất cả phương tiện vận tải phải lắp đặt hộp đen theo tiêu chuẩn của Bộ Giao thông vận tải trước ngày 01/07/2018, áp dụng cho xe ô tô kinh doanh vận tải hàng hóa có trọng tải dưới 3,5 tấn Để quản lý hộp đen một cách hiệu quả, nhóm nghiên cứu đã chọn đề tài “Giám sát và cảnh báo hoạt động phương tiện vận tải ô tô”, thiết kế thiết bị gắn GPS và cảm biến để gửi thông số giám sát vị trí, cảnh báo rung và ngã xe về smartphone Qua đó, người dùng có thể theo dõi vị trí thiết bị trên Google Map và nhận thông báo kịp thời qua tin nhắn hoặc cuộc gọi.

Thiết kế và thi công mạch giám sát hoạt động phương tiện vận tải ô tô và cảnh báo cho người dùng

Lập trình Arduino để giám sát thiết bị thông qua Smarphone

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 Ứng dụng các tập lệnh của Module SIM808 để gửi các thông tin giám sát và cảnh báo về Smartphone

Quá trình làm việc của nhóm nghiên cứu được thực hiện qua các bước sau:

 Cài đặt phần mềm Altium để vẽ mạch và phần mềm Arduino IDE để lập trình xử lý

 Nghiên cứu về GPS và GSM

 Nghiên cứu về Arduino UNO R3 và module SIM 808

 Thiết kế, thi công mô hình phần cứng

 Lập trình giao tiếp Arduino với SIM808 và GPS

 Lập trình Arduino để giám sát thiết bị và cảnh báo cho người dùng qua Smartphone

 Lắp ráp các khối vào mô hình

 Chạy thử nghiệm hệ thống giám sát và cảnh báo phương tiện vận tải ô tô

 Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp

 Báo cáo đề tài tốt nghiệp

 Định vị vị trí ô tô trên bản đồ sai lệnh so với thực tế ở mức chấp nhận được

 Tốc độ cập nhật vị trí và các thông số của xe ô tô tùy theo chất lượng sóng của nhà mạng mà Smartphone sử dụng

 Thiết kế và thi công hệ thống giám sát và cảnh báo phương tiện vận tải ô tô bằng cách thi công trên mô hình

Chương 1: Tổng Quan giới thiệu đề tài nghiên cứu, nêu rõ lý do và sự cần thiết của việc thực hiện đề tài Bài viết cũng xác định mục tiêu hoàn thành, phạm vi nghiên cứu và trình bày các bước thực hiện từ cơ bản đến cụ thể mà nhóm sẽ tiến hành trong quá trình nghiên cứu.

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3

Trình bày các kiến thức về phầm mềm Arduino IDE, lý thuyết về Arduino UNO R3, lý thuyết về SIM808 được áp dụng trong đề tài

Chương 3: Tính Toán và Thiết Kế

Trình bày sơ đồ khối của hệ thống, tính toán thiết kế cho từng khối

Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Thi công mạch theo thiết kế Lập trình điều khiển cho vi xử lý chính Kiểm tra, chạy thử nghiệm và tinh chỉnh lỗi

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

Trình bày kết quả đã đạt được và đưa ra những bàn luận về sản phẩm

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Kết luận chung về đề tài và hướng phát triển của nó

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG GPS

2.1.1 Hệ thống định vị toàn cầu (GPS)

Hệ thống định vị toàn cầu GPS, hay còn gọi là NAVSTAR (Navigation Satellite Timing And Ranging), là công nghệ xác định tọa độ dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo GPS có khả năng xác định vị trí với độ chính xác từ vài trăm mét đến vài trăm centimet Để tính toán tọa độ tại một vị trí bất kỳ trên trái đất, cần xác định khoảng cách đến ít nhất ba vệ tinh.

Vào năm 1978, Bộ Quốc phòng Mỹ đã phóng 24 vệ tinh trị giá nhiều tỷ USD vào quỹ đạo trái đất để thu thập thông tin về tọa độ (vĩ độ và kinh độ), độ cao và tốc độ của các cuộc hành quân Những vệ tinh này bay ở độ cao 19.200 km và với tốc độ khoảng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền tín hiệu vô tuyến tần số thấp đến các thiết bị thu nhận.

Trong số 24 vệ tinh của Bộ Quốc phòng Mỹ, chỉ có 21 vệ tinh đang hoạt động, trong khi 3 vệ tinh còn lại là hệ thống hỗ trợ Tín hiệu vô tuyến thường không đủ mạnh để xuyên qua các tòa nhà kiên cố, hầm ngầm hoặc đến các địa điểm dưới nước Để cung cấp thông tin chính xác về vị trí, độ cao và tốc độ của một vật, tối thiểu cần có 4 vệ tinh hoạt động.

1 Nguyễn Quốc Vương, “Nghiên cứu, chế tạo hộp đen ô tô”, Luận văn Thạc sĩ, Trường DHSPKT, Tp.HCM,

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 đạo, các vệ tinh đảm bảo cung cấp vị trí tại bất kỳ điểm nào trên trái đất Vào năm

1983, Liên Xô bắn rơi một máy bay hành khách của Hàn Quốc vì đã vi phạm không

Sau tai nạn nghiêm trọng, nhu cầu về định vị và dẫn đường cho các ứng dụng hàng không và dân dụng trở nên cấp thiết Tổng thống Reagan đã yêu cầu quân đội Mỹ mở cửa một phần hệ thống GPS cho các ứng dụng dân sự Để bảo vệ lợi ích quốc gia, Mỹ đã phát triển công nghệ SA để tăng sai số và bắt đầu ứng dụng vào năm 1990 Đến tháng 5 năm 2000, khi công nghệ quân sự đã tiến bộ, Tổng thống Clinton đã quyết định tắt SA, dẫn đến sự bùng nổ nhu cầu về máy thu GPS cá nhân và dân dụng.

2.1.2 Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm ba bộ phận chính: phần người sử dụng (User Segment), phần điều khiển (Control Segment) và phần không gian (Space Segment).

Hình 2.2: Các thành phần cấu tạo của hệ thống GPS 1

Chúng ta sẽ tìm hiểu 3 bộ phận chính của GPS và chức năng của chúng:

Hình 2.3: Mô hình ba mảng của hệ thống định vị toàn cầu 4 a Phần sử dụng 1

Bộ phận người dùng bao gồm thiết bị thu tín hiệu GPS và người sử dụng các thiết bị này Thiết bị thu tín hiệu GPS là máy thu sóng vô tuyến chuyên dụng, giúp nhận diện vị trí chính xác.

Thiết bị GPS được thiết kế để thu tín hiệu sóng vô tuyến từ các vệ tinh và tính toán vị trí dựa trên thông tin đó Các thiết bị này có nhiều kích cỡ, hình dáng và mức giá đa dạng, phù hợp với nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng.

Tính chất và giá cả của thiết bị thu tín hiệu GPS phụ thuộc vào chức năng mà bộ phận thu nhận hướng tới Thiết bị sử dụng trong ngành hàng hải và hàng không thường được trang bị giao diện với thẻ nhớ chứa bản đồ đi biển Đặc biệt, các bộ phận thu nhận cho bản đồ có độ chính xác cao và giao diện người dùng thân thiện, cho phép ghi nhận dữ liệu nhanh chóng.

Hình 2.4: Phần thiết bị sử dụng dẫn đường GPS 1

Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng: 1

- Phần triển khai công nghệ

Phần cứng của máy thu bao gồm mạch điện tử, bộ dao động tần số vô tuyến RF, ăng ten và thiết bị ngoại vi cần thiết cho hoạt động của máy Đặc điểm nổi bật của bộ phận này là tính chắc chắn, khả năng xách tay, độ tin cậy khi làm việc ngoài trời và sự dễ dàng trong thao tác.

Phần mềm GPS bao gồm các chương trình xử lý dữ liệu, chuyển đổi thông tin GPS thành dữ liệu định vị và chỉ đường hữu ích Những chương trình này cho phép người dùng tương tác để tận dụng các tính năng ưu việt của công nghệ định vị GPS.

Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y sinh 8 được thiết kế để cung cấp thông báo hữu ích về trạng thái và tiến bộ của hệ thống cho người điều hành Phần mềm còn tích hợp các chương trình phát triển tính độc lập cho máy thu GPS, giúp đánh giá các yếu tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và độ tin cậy của độ chính xác.

Phần triển khai công nghệ GPS tập trung vào việc cải tiến thiết kế máy thu và phân tích hiệu ứng của các anten khác nhau Đồng thời, nó cũng nghiên cứu hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp trong phần mềm xử lý dữ liệu Hệ thống liên kết truyền thông được phát triển để đảm bảo độ tin cậy cho các hoạt động định vị GPS ở cả cự ly dài và ngắn, đồng thời theo dõi xu hướng phát triển về giá cả và hiệu suất thiết bị.

Phần điều khiển vệ tinh đảm bảo rằng chúng di chuyển đúng quỹ đạo và cung cấp thông tin thời gian chính xác Hệ thống này bao gồm 8 trạm kiểm soát trên mặt đất, với 4 trạm theo dõi tại Hawaii, Kwajalein, đảo Ascension, Diego Garcia, Colorado Springs và Cape Canaveral Lưới trắc địa tại các trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI) Trạm điều khiển trung tâm có nhiệm vụ tính toán tọa độ vệ tinh dựa trên dữ liệu từ 4 trạm theo dõi, sau đó gửi thông tin tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu để tiếp tục truyền đến các vệ tinh.

Hình 2.5: Trạm mặt đất được sử dụng từ 1984-2007 1

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 c Phần không gian

Hệ thống không gian bao gồm 27 vệ tinh, trong đó có 24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng, được bố trí trên quỹ đạo cách mặt đất 20.200 km với bán kính quỹ đạo 26.600 km Các vệ tinh này di chuyển ổn định, quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng 24 giờ với vận tốc 7.000 dặm một giờ Để đảm bảo khả năng thu tín hiệu, các máy thu GPS trên mặt đất cần nhìn thấy ít nhất 3 vệ tinh tại mọi thời điểm Mỗi vệ tinh phát hai tần số sóng mang là L1 = 1575.42 MHz và L2 = 1227.62 MHz, trong đó các thông điệp vệ tinh được truyền dưới dạng dòng dữ liệu tần số thấp (50Hz) để thông báo tình trạng và vị trí của vệ tinh Dữ liệu này được các máy thu giải mã để xác định vị trí chính xác theo thời gian thực.

Các vệ tinh hoạt động nhờ năng lượng mặt trời và được trang bị pin dự phòng để duy trì chức năng trong những khu vực không có ánh sáng mặt trời Để giữ cho vệ tinh bay đúng quỹ đạo, mỗi vệ tinh đều được trang bị các tên lửa nhỏ.

Hình 2.6: Các quỹ đạo của vệ tinh trong hệ thống GPS 1

TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG MẠNG GSM

2.2.1 Mạng thông tin di động toàn cầu (GSM)

Mạng thông tin di động toàn cầu là tiêu chuẩn thiết yếu cho các thuê bao di động, cho phép người dùng duy trì kết nối khi di chuyển qua các khu vực địa lý khác nhau.

Tại Việt Nam, mạng điện thoại GSM vẫn chiếm ưu thế trong lĩnh vực viễn thông, với sự hiện diện của nhiều nhà mạng lớn Các mạng GSM chính bao gồm Viettel, Mobifone và Vinaphone, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dịch vụ di động cho người dùng.

- Công nghệ của mạng GSM

Các mạng điện thoại GSM sử dụng công nghệ TDMA

TDMA (Time Division Multiple Access) là công nghệ phân chia truy cập theo thời gian, cho phép tối đa 8 máy di động chia sẻ một kênh để thực hiện cuộc gọi Mỗi máy di động sẽ sử dụng 1/8 khe thời gian để truyền và nhận thông tin, đảm bảo hiệu quả sử dụng băng thông và giảm thiểu sự cố nghẽn mạng.

Khác với công nghệ TDMA của các mạng GSM là công nghệ CDMA của các mạng như:

CDMA là công nghệ phân chia truy cập theo mã, sử dụng mã số riêng cho mỗi cuộc gọi Khác với TDMA, CDMA không sử dụng một kênh cố định cho việc đàm thoại.

Bộ môn điện tử công nghiệp - y sinh 20 sử dụng một phổ tần với khả năng truyền dẫn nhiều kênh cùng lúc, mang lại tốc độ truyền tín hiệu cao hơn so với công nghệ TDMA.

2.2.2 Cấu trúc cơ bản của mạng điện thoại di động

Mỗi mạng di động bao gồm nhiều Tổng đài chuyển mạch MSC phân bố ở các khu vực như miền Bắc, miền Trung và miền Nam, với mỗi Tổng đài được kết nối với nhiều trạm thu phát vô tuyến BSS.

Hình 2.13: Mô hình mạng điện thoại di động 1

Khi sử dụng thuê bao mạng Vinaphone, Mobiphone hoặc Vietel thì chính là đang sử dụng công nghệ GSM Công nghệ GSM được chia làm 3 băng tần: 1

Tại Việt Nam, tất cả các mạng điện thoại di động hiện đang hoạt động trên băng tần 900MHz, trong khi nhiều quốc gia khác trên thế giới sử dụng băng tần 1800MHz Đặc biệt, Mỹ sử dụng băng tần 1900MHz cho các dịch vụ điện thoại di động của mình.

Băng tần GSM 1800 MHz cho phép điện thoại di động thu sóng trong dải tần 1805MHz đến 1880MHz và phát sóng trong dải tần 1710MHz đến 1785MHz Khi điện thoại di động nhận tín hiệu từ đài phát ở một tần số cụ thể trong khoảng 1805MHz đến 1880MHz, nó sẽ trừ đi 95MHz để xác định tần số phát Khoảng cách giữa tần số thu và phát trong băng GSM là một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng kết nối.

 So sánh hai băng tần:

Hình 2.15: Băng tần GSM 900MHz và băng tần GSM 1800MHz 1

2.2.3 Các Thành Phần Của Mạng Điện Thoại Di Động

- Mạng điện thoại di động GSM

Hình 2.16: Mạng điện thoại di động GSM 1

- Máy cầm tay MS (Mobile Station)

Mỗi máy di động cầm tay khi liên lạc, nhà quản lý điều hành mạng sẽ quản lý theo hai mã số

Số SIM là mã nhận dạng di động quốc tế, cho phép nhà quản lý theo dõi các cuộc gọi và dịch vụ gia tăng khác một cách hiệu quả.

Số IMEI (International Mobile Equipment Identity) là mã số nhận dạng di động duy nhất được lưu trữ trong bộ nhớ ROM của mỗi điện thoại khi xuất xưởng Các nhà cung cấp dịch vụ quản lý số IMEI trên toàn thế giới, giúp ngăn chặn việc sử dụng điện thoại bị đánh cắp Bên cạnh đó, công nghệ định vị toàn cầu hiện nay cho phép xác định vị trí của người sử dụng điện thoại với độ chính xác lên tới 10m².

Hình 2.17: IMEI: Số nhận dạng thiết bị di động quốc tế 7

Hình 2.19: Ý nghĩa số thuê bao IMSI 1

2.2.4 Một số tập lệnh AT cơ bản sử dụng cho ứng dụng GSM 1 a Các thuật ngữ

MT: Mobile Terminal Thiết bị đầu cuối mạng (trong trường hợp này là module SIM548)

TE: Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối (máy tinh, hệ vi điều khiển) 1 b Các lệnh thiết lập và cài đặt cho cuộc gọi 1

Bảng 2.1: Lệnh AT Command thiết lập và cài đặt cuộc gọi 1

ATA Trả lời một cuộc gọi đến

ATD Đi trước một số điện thoại để thực hiện cuộc gọi

ATD> Thực hiện cuộc gọi đến số điện thoại đã lưu trong bộ nhớ ATD Thực hiện cuộc gọi đến số đã lưu và có tên

ATDL Gọi số vừa gọi gần nhất

ATH Ngắt kết nối đang thực hiện

ATI Hiển thị thông tin về module SIM548

ATL Cài đặt độ lớn của loa

ATO Chuyển từ chế độ nhận lệnh sang chế độ nhận dữ liệu

ATT Lựa chọn kiểu chuông

ATZ Thực hiện lệnh này trước khi cài đặt lại các thông số của module AT&F Thiết lập các thông số cài đặt là các thông số mặc định

AT&V Hiển thị cấu hình đã cài đặt cho module

+++ Chuyển từ chế độ dữ liệu và kết nối mạng GPRS về chế độ lệnh c Các lệnh thiết lập và cài đặt cho tin nhắn SMS

Bảng 2.2: Lệnh AT Command thiết lập và cài đặt cho tin nhắn SMS 1

AT+CMGD Xóa tin nhắn sms

AT+CMGF Định dạng văn bản tin nhắn

AT+CMGL Danh sách tin nhắn đã lưu

AT+CMGR Lệnh đọc tin nhắn

AT+CMGS Lệnh gửi tin nhắn

AT+CMGW Lưu tin nhắn vào bộ nhớ

AT+CMSS Gửi tin nhắn đã lưu

AT+CMGC Gửi sms lệnh

AT+CNMI MT gửi thông báo khi có tin nhắn mới

AT+CPMS Các tin nhắn riêng biệt được lưu

AT+CRES Cài đặt lại tin nhắn

AT+CSAS Lưu các cài đặt cho tin nhắn

AT+CSCA Địa chỉ dịch vu tin nhắn

AT+CSMP Cài đặt định dạng chữ của tin nhắn

AT+CSMS Lựa chọn tin nhắn dịch vụ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 26 d Chi tiết mô tả các lệnh dành cho tin nhắn SMS 1

Bảng 2.3: Lệnh AT dành cho tin nhắn SMS 1

AT+CMGD= + Lệnh xóa tin nhắn sms đã lưu trong bộ nhớ

+ Lệnh thực hiện thành công MT gửi trả :

OK

+ Nếu lệnh không thực hiện được MT gửi trả:

Vị trí của tin nhắn lưu trong bộ nhớ Cho biết lỗi

+ Lệnh cài đặt định dạng của tin nhắn gửi và nhận + Lệnh thực hiện thành công.MT gửi trả:

OK

AT+CMGL=[] + Danh sách tin nhắn đã lưu

+ Nếu tin nhắn là dạng văn bản:

[] “_REC UNREAD” tin nhắn chưa đọc “RED READ” tin nhắn đã đọc “STO UNSEND” tin nhắn chưa gửi được

“ STO SEND” tin nhắn đã gửi “ ALL” tất cả tin nhắn + Nếu tin nhắn là dạng PDU:

[] 0 tin nhắn chưa đọc

Nếu lệnh thực hiện thành công, MT gửi trả chuỗi có định dạng như sau :

+ Nếu tin nhắn là dạng văn bản (+CMGF=1) : +CMGL:

[,[],[],[],[] [,,] []

OK

+ Nếu tin nhắn là dạng PDU (+CMGF=0) : +CMGL:,,[],

OK

Nếu lệnh thực hiện không thành công, MT gửi trả: +CMS ERROR:

Lệnh đọc tin nhắn sms

Một số nguyên là vị trí của đã lưu tin nhắn

0 Chế độ mặc định

1 Không thay đổi trạng thái của tin nhắn

Ví dụ : Tin nhắn sẽ không chuyển từ 'received unread’ sang 'received read’ khi được đọc

Lệnh thực hiện thành công, MT gửi trả lại chuỗi có dạng:

+ Nếu tin nhắn là dạng văn bản (+CMGF=1) +CMGR:,,,,,+CMGS: +CMGW: +CMGS: [,]CR>

OK

Lệnh thực hiện không thành công:

< CR>+CMS ERROR:

Vị trí lưu tin nhắn trong bộ nhớ

Lệnh này cài đặt cho module để module thông báo khi nhận được tin nhắn mới

Lệnh thực hiện thành công, MT gửi trả:

OK

+CMS ERROR:

0 Không gửi thông báo khi có tin nhắn mới

1 Gửi thông báo với định dạng:

2 Gửi thông báo có định dạng:

[,,,,,,, ] e Các lệnh đặc biệt dành cho SIM808: 1

Bảng 2.4: Các lệnh AT Command đặc biệt cho SIM808C 1

AT+CPOWD Tắt nguồn cung cấp cho module

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 30 f Chi tiết về các lệnh đặc biệt dành cho SIM808

Bảng 2.5: Chi tiết các lệnh AT dành cho SIM808C 1

Lệnh ngắt nguồn cung cấp cho module hoạt động Tham số :

Lệnh cấu hình cho truyền thông nối tiếp

Lệnh được thực hiện thành công, MT gửi trả :

OK

Lệnh cài đặt báo thức

Lệnh được thực hiện thành công, MT gửi trả :

OK

< time > Thời gian báo thức

“yy/MM/dd,hh:mm:ss+- zz”

AT+CMIC Thay đổi đổ lớn của microphone

AT +UART Cầu hình cho truyền thông nối tiếp

AT+CALARM Cài đặt hẹn giờ

AT+ECHO Cài đặt tiếng vọng cho cuộc gọi

AT+CSMINS Cho biết sim đã gắn vào đế hay chưa

AT+CMTE Đọc nhiệt độ hiện tại của module

AT+CMGDA Xóa tất cả các tin nhắn

0 Thông báo bình thường Chỉ gửi “ALARM RING”

Gửi “ALARM RING” và ngưng báo thức sau 5s

Gửi “ALARM MODE và trở về chế độ báo thức

OK

Lệnh cho biết sim đã được gắn vào đế sim hay chưa 1 Lệnh thực hiện thành công, MT gửi trả:

+CSMINS:,

0 Không cho phép gắn sim

0 Sim chưa được gắn vào đế

Xóa tất cả các tin nhắn

OK

+CMS ERROR: NUM

“DEL READ” xóa các tin nhắn đã đọc

“DEL UNREAD” xóa tin nhắn chưa đọc

“DEL SENT” xóa các tin nhắn đã gửi

“DEL UNSENT” xóa các tin nhắn chưa gửi

“DEL INBOX” xóa các tin nhắn nhận được

“DEL ALL” xóa tắt cả các tin nhắn

CÁC CHUẨN GIAO TIẾP

I2C, viết tắt của "Inter-Integrated Circuit", là một bus nối tiếp do Philips phát triển Ban đầu, nó chỉ được sử dụng trong các linh kiện của hãng này Tuy nhiên, nhờ tính ưu việt và đơn giản, I2C đã được chuẩn hóa và hiện nay được áp dụng rộng rãi trong các mô đun truyền thông nối tiếp của vi mạch tích hợp.

Giao tiếp I2C bao gồm hai dây chính: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL) Trong đó, SDA là đường truyền dữ liệu hai chiều, trong khi SCL là đường truyền xung đồng hồ chỉ theo một chiều để đồng bộ hóa Khi một thiết bị ngoại vi kết nối vào bus I2C, chân SDA của thiết bị sẽ được nối với dây SDA của bus, và chân SCL sẽ được nối với dây SCL.

Hình 2.20: Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard mode) và chế độ nhanh (Fast mode) 1

Hình 2.21: Hoạt động cua SDA, SCL khi truyền nhận dữ liệu 1

Mỗi dây SDA và SCL trong giao tiếp I2C được kết nối với nguồn điện dương thông qua một điện trở kéo lên (pullup resistor) Các điện trở này rất cần thiết vì chân giao tiếp I2C của các thiết bị ngoại vi thường sử dụng cấu trúc cực máng hở (opendrain hay opencollector) Giá trị của các điện trở kéo này có thể khác nhau tùy thuộc vào từng thiết bị và chuẩn giao tiếp, thường nằm trong khoảng từ 1K đến 4.7K.

Khi kết nối với bus I2C, mỗi thiết bị hoặc IC cần có một địa chỉ duy nhất và được cấu hình là thiết bị chủ hoặc tớ Thiết bị chủ đảm nhận vai trò tạo xung đồng hồ cho toàn bộ hệ thống và quản lý địa chỉ của thiết bị tớ trong quá trình giao tiếp Trong mối quan hệ này, thiết bị chủ hoạt động chủ động, trong khi thiết bị tớ ở trạng thái bị động.

UART (Universal Asynchronous Receive/Transmit) là một chuẩn giao tiếp dữ liệu không đồng bộ, được sử dụng rộng rãi và dễ dàng trong việc truyền nhận thông tin Chuẩn này thường được áp dụng trong việc giao tiếp giữa các vi điều khiển và các thiết bị khác.

Hình 2.23: Khung truyền của giao tiếp UART 1

Hai thiết bị giao tiếp UART với nhau thông qua hai đường dẫn RX( read) và

TX (transmit) (Hình 1) Vì là giao tiếp không đồng bộ nên hai thiết bị phải được cài đặt thống nhất về khung truyền (Hình 2), tốc độ truyền

- Start bit: báo hiệu quá trình truyền dữ liệu

- Data bits: dữ liệu cần giao tiếp, thường là 8 bit

- Parity bit: bit kiểm tra chẵn lẻ, dùng để phát hiện lỗi 1

- Stop bit: báo hiệu kết thúc một frame dữ liệu Có thể tùy chọn 1 hoặc 2

2.3.3 Chuẩn NMEA0183 a Giới thiệu về chuẩn NMEA và NMEA0183

NMEA 0183 là chuẩn giao thức truyền thông giữa các thiết bị điện tử trên tàu thủy, bao gồm máy đo tốc độ, la bàn, máy lái tự động và thiết bị GPS Chuẩn này được phát triển bởi Hiệp hội điện tử tàu thủy quốc gia Hoa Kỳ (National Marine Electronics Association), nhằm đảm bảo sự tương thích và hiệu quả trong việc kết nối các thiết bị điện tử trên tàu.

Chuẩn NMEA 0183 sử dụng ký tự ASCII và giao thức truyền thông nối tiếp để quy định cách thức mà thiết bị gửi truyền dữ liệu tới thiết bị nhận Ở tầng ứng dụng, chuẩn này xác định nội dung các kiểu câu dữ liệu, giúp thiết bị nhận phân tích dữ liệu chính xác Mỗi câu dữ liệu bắt đầu bằng ký tự "$" và kết thúc bằng , trong đó tất cả các câu dữ liệu từ thiết bị GPS đều có cùng định dạng khởi đầu.

―$GPxxx‖ trong đó xxx là loại bản tin Một số loại câu dữ liệu thường sử dụng:

GGA: Global Positioning System fixed data

GLL: Geographic position-latitude/longitude

GSA: GNSS DOP and active satellites

GSV: GNSS satellites in view

RMC: Recommended minimum specific GNSS data

VTG: Course over ground and ground speed

Cấu hình truyền thông nối tiếp (tầng lien kết dữ liệu)

Bit dừng: 1 hoặc nhiều hơn

Cơ chế bắt tay thiết bị: không

Hầu hết các máy GPS hiện nay sử dụng giao thức NMEA 0183 để giao tiếp, trong khi một số máy vẫn tương thích với các chuẩn NMEA 0180 và NMEA 0182, với tốc độ truyền dữ liệu chỉ 1200 bps Việc giải mã một số đoạn mã NMEA là cần thiết để hiểu rõ hơn về thông tin mà thiết bị cung cấp.

Những đoạn mã NMEA quan trọng bao gồm GGA, RMC, GSA, GLL, GSV…

Bảng 2.6: Danh sách các dạng dữ liệu đầu ra 1

Dạng dữ liệu đầu ra Ứng dụng

GGA Cung cấp dữ liệu hiện thời

GLL Cung cấp thông tin về vị trí của các thiết bị thu GPS GSA Cung cấp dữ liệu về tình trạng vệ tinh

GSV Cung cấp các thông tin dung để phân tích vệ tinh

RMC Cung cấp những đoạn mã thông tin về thiết bị thu GPS một cách tối thiểu

VTG Hướng và tốc độ truyền thông tin so với mặt đất

Thông thường cấu trúc chuỗi NMEA được định nghĩa thống nhất như sau:

+ Mỗi chuỗi bắt đầu bằng ký tự ―$‖

Hai ký tự đầu tiên trong chuỗi xác định loại thiết bị sử dụng chuỗi, trong khi ba ký tự tiếp theo chỉ rõ ý nghĩa của chuỗi trả về.

Các trường dữ liệu được phân cách bởi dấu phẩy (―,‖) và trường dữ liệu cuối cùng sẽ kết thúc bằng ký tự dấu sao (―*‖) Sau dấu sao, sẽ có hai ký tự số checksum được biểu thị.

Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y sinh 37 sử dụng định dạng số hex để diễn đạt dữ liệu Checksum được tính bằng cách thực hiện phép XOR trên tất cả các mã ASCII của các trường nằm giữa hai dấu ―*‖ và ―$‖, bao gồm cả mã ASCII của dấu ―*‖ Mặc dù checksum không bắt buộc cho hầu hết các câu dữ liệu, nhưng nó là yêu cầu bắt buộc đối với các câu RMA, RMB và RMC.

Các ký tự enter và xuống dòng đánh dấu sự kết thúc của câu dữ liệu Nếu một trường dữ liệu nào đó không có giá trị, trường đó sẽ được để trống, trong khi dấu phân cách ― và ― vẫn được truyền đi giữa các trường.

GGA (Dữ liệu GPS Fix) cung cấp thông tin quan trọng về thời gian, kinh độ, vĩ độ, độ cao, chất lượng hệ thống và số vệ tinh được sử dụng Đây là định dạng đầu ra của SIM548 theo tiêu chuẩn NMEA.

Bảng 2.7:Giao thức GGA 1 Ý nghĩa Ví dụ Đơn vị Mô tả

ID $GPGGA Chuỗi đầu của giao thức

N/S N N=Cực bắc hay S=Cực nam

E/W W E=Phía đông hay W=Phía tây Định dạng vị trí 1 Theo Bảng 1.2

Vệ tinh được sử dụng

HDOP 1.2 Độ mất chính xác theo phương ngang

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 38 Độ cao so với mực nước biển

Bảng 2.8: Định dạng vị trí 1

6 Một phương pháp định vị bằng cách lập biểu đồ hình trình và tốc độ từ vị trí đã biết

- GLL (Geographic Position - Latitude/Longitude): Cung cấp thông tin về kinh độ và vĩ độ, thời gian và tình trạng vệ tinh

Bảng 2.1.6.b.4 Giao thức GLL Ý nghĩa Ví dụ Đơn vị Mô tả

ID $GPGLL Chuỗi đầu của giao thức

E/W W E=Phía đông hay W=Phía tây

Trang thái A A = có tín hiệu hay V không có tín hiệu

Chế độ A A= Độc lập,D=DGPS

The GSA (GNSS DOP and Active Satellites) provides essential information regarding the measurement mode (2D or 3D), the number of satellites utilized for positioning, and the accuracy of the measurement indicated by the Dilution of Precision (DOP) values This output format reveals both the DOP values and the operational status of the satellites.

Bảng 2.9: Giao thức GSA 1 Ý nghĩa Ví dụ Đơn vị Mô tả

ID ID $GPGSA Chuỗi đầu của giao thức

PDOP 1.8 Độ mất chính xác vị trí

HDOP 1.0 Độ mất chính xác theo phương ngang

VDOP 1.5 Độ mất chính xác theo phương thẳng đứng

GSV (GNSS Satellites in View) cung cấp thông tin chi tiết về số lượng vệ tinh có thể nhìn thấy và các thông số cần thiết để phân tích các vệ tinh này Định dạng GSV giúp người dùng hiểu rõ hơn về thông tin của các vệ tinh đang được sử dụng.

Bảng 2.10: Giao thức GSV 1 Ý nghĩa Ví dụ Đơn vị Mô tả

ID $GPGSV Chuỗi đầu của giao thức

Số thông điệp nhận được

ID của vệ tinh 07 Kênh 1 (từ 1-32) Độ cao 79 Độ Kệnh 1 (tối đa 90)

Góc phương vị 048 Độ Kênh 1 (từ 0-359)

ID của vệ tinh 27 Kệnh 4 (1-32)

- RMC (Recommended Minimum Specific GNSS Data): Cung cấp thông tin về thời gian, kinh độ, vĩ độ, độ cao, tình trạng hệ thống, tốc độ, hướng và ngày tháng 1

Bảng 2.11: Giao thức RMC 1 Ý nghĩa Ví dụ Đơn vị Mô tả

ID $GPRMC Chuỗi đầu của giao thức

Trạng thái A A=có tín hiệu hay

Sự thay đổi của độ lệch

- VTG—Course Over Ground and Ground Speed

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 42 Định dạng này cho biết về hướng và tốc độ so với mặt đất

Bảng 2.12: Giao thức VTG 1 Ý nghĩa Ví dụ Đơn vị Mô tả

ID ID $GPVTG Chuỗi đầu của giao thức

Hướng 309.62 Độ Hướng hiện tại

Hướng Độ Hướng hiện tại

Chuẩn quy chiếu M Từ tính

Tốc độ 0.13 Knots Tốc độ hiện tại Đợn vị N knot

Tốc độ 0.2 Km/h Tốc độ hiện tại Đơn vị K Km/h

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

Mạch Arduino Uno là dòng mạch Arduino phổ biến, được phát triển vào năm

Vào năm 2005 tại Italia, board mạch Arduino đã ra đời với vi điều khiển AVR và nhiều linh kiện khác, giúp dễ dàng lập trình và xây dựng các dự án Hiện nay, dòng mạch này đã phát triển đến thế hệ thứ 3, cụ thể là Arduino UNO R3, và nhận được sự hỗ trợ từ nhiều mã nguồn mở, khiến Arduino UNO trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhóm trong đề tài nghiên cứu.

Arduino UNO R3 là một mạch cơ bản lý tưởng cho người mới học lập trình Arduino Nó sử dụng vi xử lý Atmega328 8 bit, hoạt động với điện áp 5VDC qua cáp USB, và có tần số 16Mhz Mạch tiêu thụ khoảng 30mA, cung cấp 14 ngõ vào và ra, cùng 6 chân Analog Mỗi chân I/O có dòng tối đa 30mA, với bộ nhớ flash 32kB, SRAM 2KB và EEPROM 1KB.

Hình 2.25: Sơ đồ thành phần chính của Arduino UNO R3 5 Chức năng các linh kiện của board mạch:

USB Type B là cổng kết nối quan trọng để truyền dữ liệu và gỡ lỗi chương trình giữa Arduino và máy tính, đồng thời cung cấp nguồn điện cần thiết cho hoạt động của Arduino.

- Reset Button: nút nhấn đưa board mạch về chế độ hoạt động ban đầu

- ICSP header for ATmega 16U2: chân giao tiếp chuẩn ICSP

- ATmega 16U2: chuyển từ USB sang Serial

- General I/O: các ngõ vào ra Digital

- ATmega 328 MCU: vi điều khiển điều khiển hoạt động board mạch

- Analog I/O: ngõ vào ra analog

- Power and Aux I/O: các ngõ điện áp vào ra

Bảng 2.13: Thông số kỹ thuật của Arduino UNO 5

Vi điều khiển ATmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào (được đề nghị) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6 -20V

Chân Digital I/O 14 (Với 6 chân PWM output)

Dòng sử dụng I/O Pin 20mA

Dòng sử dụng 3.3V Pin 50mA

Dòng DC cho chân 5V 800mA

Bộ nhớ Flash 32 KB (ATmega328P) với 0.5KB dùng bởi bootloader

Bảng 2.13 cung cấp cái nhìn tổng quan về Board Arduino UNO, bao gồm các thông số chính như điện áp hoạt động, điện áp đầu vào đề nghị và giới hạn, số lượng chân vào ra, chân ngõ vào ra Analog, tổng dòng DC trên các I/O, bộ nhớ Flash, SRAM, tốc độ xung đồng hồ, cũng như kích thước và trọng lượng của board.

Module Sim808 là một giải pháp hoàn chỉnh với công nghệ Quad-Band GSM/GPRS và GPS, cho phép theo dõi vị trí liên tục với độ tin cậy cao Với kích thước nhỏ gọn (30*30*3.2mm) và giao diện tiêu chuẩn công nghiệp, module này dễ dàng tích hợp vào các mạch điện tử Việc kết hợp cả chức năng GPS và GSM đã khiến nhóm quyết định lựa chọn module Sim808 cho nghiên cứu và ứng dụng.

Hình 2.26: Module SIM808 của hãng mlab 5 Bảng 2.14: Chức năng các chân SIM808 5

Mô tả Đặc tính điện VBAT Có năm chân VBAT dùng để cung cấp nguồn hoạt động cho module

Ngõ vào nguồn cho bộ thời gian thực của module hoạt động khi không có nguồn chính, đồng thời cung cấp một dòng ra cho nguồn dự trữ khi có nguồn chính Điều này giúp tiết kiệm năng lượng cho nguồn dự trữ một cách hiệu quả.

V Inorm= 20uA CHG_IN I Nguồn cung cấp cho bộ sạc pin của module Đồng thời giúp cho module nhận ra bộ sạc

V GND Chân nối đất dành cho các ứng dụng số

PWRKEY I Ngõ vào dùng để mở và tắt nguồn chính của module Chân này được nối với một nút nhấn Để mở và tắt nguồn của module,phải nhấn nút nhấn để giữ chân này ở mức thấp trong một khoảng thời gian ngắn

BUZZER O Ngõ ra dành cho còi báo

AGND Chân nối đất dành cho các ứng dụng tương tự

Ngõ vào ra để kiểm tra đường truyền dữ liệu VILmin=0V

DISP_CLK O Ngõ ra kiểm tra xung Clock

DISP_A0 O Ngõ ra kiểm tra dữ liệu và địa chỉ (có thể được lựa chọn bằng phần mềm)

DISP_EN O Ngõ ra cho phép hiển thị

Các ngõ vào ra dành cho phím bấm,bảng nút nhấn

Các ngõ vào ra với mục đích chung

NETLIGHT O Ngõ ra cho biết trạng thái hoạt động của module GSM

VILmin=0V VILmax=0.9 VIHmin=2.0 VIHmax= 3.2 VOLmin=GN

STATUS O Ngõ ra cho biết các trạng thái hoạt động của các ứng dụng khác có trong module

Ngõ vào ra dùng chung cho các mục đích khác

DTR I Ngõ vào cho biết giao tiếp đã sẵn sàng VILmin=0V

VILmax=0.9 VIHmin=2.0 VIHmax= 3.2 VOLmin=GN

RXD I Ngõ vào nhận dữ liệu,

TXD O Ngõ ra truyền dữ liệu

RTS I Ngõ vào yêu cầu gửi dữ liệu

CTS O Sẵn sàng để gửi dữ liệu

RI O Ngõ ra cho biết trạng thái hoạt động

DCD O Ngõ ra cho biết dữ liệu đã được gửi đi

DEBUG_TX O Port dùng để sửa lỗi và giao tiếp bằng tập lệnh AT

Các chân dành cho Sim card

VSIM O Nguồn cung cấp cho Sim card Có 2 loại nguồn cung cấp 1.8V và 2.85V.Được lựa chọn bởi phần mềm

Chân truyền nhận dữ liệu với SIM VILmin=0V

VILmax=0.3* VSIM VIHmin=0.7* VSIM VIHmax= VSIM +0.3 VOLmin=GND

VOLmax=0.2V VOHmin= VSIM -0.2 VOHmax= VSIM

I Chân để nhận biết có Sim card

O Chân để reset SIM Ứng dụng ADC

AUXADC1 I Ngõ và dành cho mục đích chuyển đổi từ dạng tương tự sang dạng số Điện áp ngõ vào từ 0- 24V

TEMP_BAT I Ngõ vào cho biết nhiệt độ của pin

Cảm biến rung HDX-1 được lựa chọn bởi nhóm nghiên cứu nhờ vào thiết kế vỏ kim loại bền bỉ, độ nhạy cao và giá thành hợp lý Thiết bị này hoạt động hiệu quả với điện áp sử dụng dưới 24V.

Dòng tiêu thụ dưới 1mA

Hình 2.28: Cảm biến gia tốc MPU-6050 5

Module cảm biến gia tốc MPU-6050 GY-521 tích hợp cảm biến gia tốc 3 trục và con quay hồi chuyển 3 trục, giúp kiểm soát cân bằng và định hướng chuyển động cho các thiết bị như robot, máy bay, drone, tay cầm chơi game, và hệ thống giữ thăng bằng cho camera Nó còn có khả năng nhận biết sự rơi, rung lắc, mang lại hiệu suất cao trong việc theo dõi chuyển động.

Module MPU-6050 (ba trục quay vòng + gia tốc ba trục)

Nguồn điện: 3-5 VDC (điện áp ổn áp điện áp nội bộ ổn định)

Truyền thông: Tiêu chuẩn IIC thỏa thuận truyền thông

Chip được tích hợp bộ chuyển đổi 16 bit AD, 16 bit dữ liệu đầu ra

Các PCB vàng nặng, công nghệ hàn máy đảm bảo chất lượng

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

THI CÔNG HỆ THỐNG

KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

Tiêu đề	Giám Sát Và Cảnh Báo Hoạt Động Phương Tiện Vận Tải Ô Tô
Tác giả	Đỗ Văn Hải
Người hướng dẫn	Th.S Nguyễn Ngô Lâm
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
Thể loại	đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	112
Dung lượng	6,88 MB