TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Quản lý chất thải là một thách thức toàn cầu, ảnh hưởng đến cả các nước phát triển và đang phát triển Thùng rác công cộng thường xuyên trong tình trạng đầy, dẫn đến ô nhiễm môi trường và nguy cơ bệnh tật Tình trạng này cũng xuất hiện trong môi trường học đường, khi sinh viên tiếp tục vứt rác vào thùng đã đầy Để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và duy trì sự sạch sẽ, cần thiết kế thùng rác có khả năng kiểm soát lượng rác và thực hiện các biện pháp xử lý hiệu quả.
Thùng rác thông minh đã trở thành một phần quen thuộc trong cuộc sống hiện đại, với nhiều công ty khởi nghiệp và nhà sản xuất thiết bị gia đình đầu tư vào lĩnh vực này Sản phẩm không chỉ đơn thuần là nơi chứa rác mà còn thể hiện sự văn minh của gia đình Những chiếc thùng rác thông minh, như Sensible Eco Living, Hòa Phát, Handy, và Homematic, là lựa chọn hàng đầu cho căn bếp hiện đại, nhờ vào tính năng cảm ứng tự động mở nắp, giúp nâng cao vệ sinh và tiện lợi cho người sử dụng Sự phát triển của thùng rác thông minh đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các gia đình trong việc duy trì không gian sống sạch sẽ và hiện đại.
Thùng rác thông minh trong nhà khác biệt hoàn toàn so với thùng rác công cộng, chủ yếu do hạn chế về khả năng tự động và di động Thùng rác ngoài trời có không gian và thời gian để thực hiện các tác vụ tự động như tự động di chuyển khi đầy, nhờ vào GPS hoặc kết nối giữa các thùng rác để dễ quản lý Những tính năng này không thể áp dụng cho thùng rác gia đình Nhận thấy tầm quan trọng của thùng rác thông minh trong việc quản lý rác thải, nhóm nghiên cứu đã quyết định phát triển thùng rác thông minh ứng dụng công nghệ GPS cho môi trường công cộng Đề tài này không chỉ phản ánh thực trạng hiện tại mà còn có vai trò quan trọng trong tương lai, đặc biệt trong các môi trường như trường học và nơi công cộng.
MỤC TIÊU
- Sử dụng tính năng hệ thống định vị toàn cầu GPS để định hướng di chuyển và điểm đến cho thùng rác
- Thiết kế được một chiếc thùng rác có khả năng nhận biết được rác đầy trong thùng
Khi thùng rác phát hiện đầy rác, nó có khả năng tự động di chuyển đến vị trí của thùng rác tổng Sau khi xả rác xong, thùng rác có thể quay trở lại vị trí ban đầu chỉ bằng một nút nhấn.
- Khi thùng rác đầy và trong lúc di chuyển ra thùng rác tổng, thùng rác sẽ phát tiếng kêu để báo động để mọi người né tránh
- Trên đường đi, thùng rác có thể né được vật cản nhỏ
Vào buổi tối hoặc theo lịch trình đã định, nếu thùng rác chưa đầy, nó sẽ tự động di chuyển đến vị trí của thùng rác tổng và đứng chờ ở đó Thùng rác sẽ chỉ quay lại vị trí cũ khi có người nhấn nút.
NỘi DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu về hệ thống định vị toàn cầu GPS
- Nghiên cứu về các chuẩn truyền thông I2C, UART
- Nghiên cứu cách thức hoạt module GPS
- Nghiên cứu cách thức hoạt động module cảm biến la bàn số
- Nghiên cứu cách thức hoạt động module cảm biến siêu âm
- Nghiên cứu cách thức hoạt động module thời gian thực
- Viết chương trình cho Arduino Mega 2560
- Thiết kế, thi công và lập trình khối nhận tín hiệu
- Thiết kế, thi công và lập trình khối cảm biền la bàn
- Thiết kế, thi công và lập trình khối cảm biến khoảng cách
- Thiết kế, thi công và lập trình khối định thời gian
- Thiết kế, thi công và lập trình khối điều khiển động cơ
- Thiết kế, thi công mô hình thùng rác với 4 bánh xe
- Lắp ráp các khối điều khiển vào mô hình
- Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và lỗi của các thiết bị
- Chạy thử nghiệm hệ thống bên ngoài trời
- Cân chỉnh lại hệ thống
- Báo cáo đề tài tốt nghiệp.
GIỚI HẠN
- Kích thước thùng rác: 34.5 x 34 x 44 cm
- Khối lượng thùng rác khi không tải 4-5kg
- Khối lượng thùng rác khi có tải 9-10kg
- Hoạt động trong điều kiện thời tiết ổn định, ngoài trời, thoáng đãng, không mưa bão
- Vị trí đặt và đường đi của thùng rác phải thông thoáng, ít bị che khuất
- Sử dụng board Arduino Mega 2560 làm khối điều khiển trung tâm
+ Cảm biến la bàn số HMC5883L: áp hoạt động 3.3V, dòng hoạt động: 0.1mA + 4 Cảm biến siêu âm HC-SR04: áp hoạt động 5V, dòng hoạt động: 15mA
- Sử dụng module GPS NEO 6 để định vị vị trí: áp hoạt động 3.3V, dòng hoạt động:
- Sử dụng module RTC DS1307 để định thời gian thực realtime
- Có sử dụng buzzer để báo hiệu
- Dùng 4 động cơ DC giảm tốc 250 vòng/ phút khi không tải
- Đề tài xây dựng dựa trên thùng rác có sẵn và đế thùng rác làm bằng mica.
BỐ CỤC
Với đề tài “Thùng rác thông minh” thì bố cục của đồ án như sau:
Chương này giới thiệu lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung chính của nghiên cứu, các giới hạn về thông số, và cấu trúc của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS, giải thích cách thức hoạt động của nó, đồng thời giới thiệu các dịch vụ bản đồ trực tuyến và các tiêu chuẩn giao tiếp cần thiết trong quá trình truyền nhận dữ liệu giữa các khối.
Chương này hướng dẫn cách lựa chọn linh kiện phù hợp cho đề tài, bao gồm việc vẽ sơ đồ khối và mô tả chức năng của từng khối Nó cũng trình bày sơ đồ nguyên lý của các board mạch trong hệ thống và hướng dẫn kết nối giữa các linh kiện như mạch điều khiển trung tâm, mạch nhận tín hiệu GPS, cảm biến la bàn số, cảm biến siêu âm, RTC DS1307 và khối nguồn Cuối cùng, chương cung cấp sơ đồ nguyên lý toàn mạch để giúp người đọc có cái nhìn tổng quan về hệ thống.
Chương 4: Thi công hệ thống
Chương này hướng dẫn lắp ráp hệ thống, định vị các điểm trên Google Maps, lập trình và kiểm tra các khối của hệ thống Ngoài ra, bài viết cũng cung cấp hình ảnh thực tế và kết quả hiện tại mà thùng rác đạt được.
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá
Chương này tổng hợp kiến thức và kỹ năng mà nhóm đã tích lũy qua dự án, bao gồm việc sử dụng cảm biến, thu thập thông tin từ GPS và lập trình Arduino để điều khiển thùng rác thực hiện các tác vụ cần thiết Bên cạnh đó, bài viết còn giới thiệu hình ảnh thực tế của thùng rác hoạt động ngoài trời, đồng thời so sánh và đánh giá kết quả thực tế với các tính toán lý thuyết ban đầu.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Chương này tổng hợp các kết quả đạt được và những phần còn hạn chế của đề tài Ngoài ra, nó cũng đề xuất các giải pháp khắc phục cùng với những hướng phát triển mới, nhằm ứng dụng hiệu quả vào thực tiễn và đời sống.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
Ngày nay, khó có thể tưởng tượng một chiếc máy bay, tàu thủy hay phương tiện thám hiểm nào không có bộ thu tín hiệu GPS, công nghệ đã phát triển từ lâu nhưng vẫn rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực như quân sự, hàng không, địa chất và trắc địa GPS không chỉ hỗ trợ trong các ngành công nghiệp mà còn được tích hợp vào Smartphone, giúp theo dõi hoạt động của người dùng và thú cưng, tìm đường, định vị xe ô tô, và phục vụ cho các dịch vụ nổi tiếng như Uber và Grab Nhờ có GPS, người tiêu dùng có thể tìm đường nhanh chóng chỉ trong một phút với hướng dẫn chi tiết và lượng địa điểm phong phú, thay thế cho việc đọc bản đồ truyền thống.
Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS), hay còn gọi là NAVSTAR, là một hệ thống dẫn đường vệ tinh cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ và thời gian cho các máy thu GPS trên toàn cầu, hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết GPS có khả năng xác định vị trí với độ sai số từ vài trăm mét đến vài centimet Tuy nhiên, độ chính xác cao hơn yêu cầu máy thu tín hiệu GPS phức tạp hơn và có chi phí cao hơn.
Hệ thống này được phát triển bởi chính phủ Hoa Kỳ, dưới sự quản lý của Không Lực Mỹ và được giám sát bởi Ủy ban Định vị-Dẫn đường thuộc Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ.
Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới
Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã triển khai 24 vệ tinh vào quỹ đạo không gian, với vệ tinh đầu tiên được phóng lên vào năm 1978 Đến năm 1994, hệ thống đã hoàn thiện với 23 vệ tinh, và con số này đã tăng lên 27 vào năm 2000.
2.1.2 Cấu trúc của hệ thống định vị GPS
Hiện tại, hệ thống GPS được chia làm ba phần riêng biệt: phần không gian, phần kiểm soát và phần sử dụng.
Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu GPS
Trong không gian, có một mạng lưới gồm 27 vệ tinh quay quanh Trái Đất Hiện tại, 24 vệ tinh đang hoạt động, trong khi 3 vệ tinh còn lại giữ vai trò dự phòng để thay thế khi có sự cố xảy ra với các vệ tinh chính.
Dựa vào cách sắp đặt của các vệ tinh, người dùng có thể nhìn thấy ít nhất 4 vệ tinh trên bầu trời tại bất kỳ thời điểm nào Nhờ đó, tọa độ của một điểm trên mặt đất có thể được xác định bằng cách tính khoảng cách từ điểm đó đến 4 vệ tinh thông qua một công thức toán học.
Khoảng cách từ vệ tinh đến vị trí máy thu trên trái đất được tính bằng công thức S = v.t, trong đó S là khoảng cách, v là tốc độ tín hiệu radio di chuyển gần bằng vận tốc ánh sáng 299,3 km/s, và t là thời gian từ khi vệ tinh phát tín hiệu cho đến khi máy thu nhận được tín hiệu đó.
Hình 2.2: Các vệ tinh GPS và các quỹ đạo bay của nó
Các vệ tinh sử dụng năng lượng mặt trời và pin dự phòng để hoạt động liên tục ngay cả khi không có ánh sáng mặt trời, cho phép chúng duy trì hoạt động trong nhiều năm Mỗi vệ tinh được trang bị một tên lửa nhỏ ở phía dưới để đảm bảo chúng bay đúng quỹ đạo đã định, trước khi bị hư hỏng và trở thành rác thải trong không gian.
Hoạt động phối hợp với các vệ tinh quanh Trái Đất được thực hiện thông qua 5 trạm theo dõi trên mặt đất, bao gồm một trạm chủ tại Colorado (Mỹ) và 4 trạm không có người điều khiển ở các vị trí gần đường xích đạo, trong đó có Hawaii Các trạm này thu thập và truyền dữ liệu về trạm chủ, nơi dữ liệu được xử lý để đưa ra các điều chỉnh cần thiết cho vệ tinh GPS Phần kiểm soát này nhằm đảm bảo rằng các vệ tinh duy trì quỹ đạo đúng và cung cấp thông tin thời gian chính xác.
Hình 2.3: 5 Trạm kiểm soát trên thế giới
Là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị này
GPS, ban đầu được phát triển cho mục đích quân sự, đã được chính phủ Mỹ cho phép sử dụng cho mục đích dân sự từ năm 1980 Hệ thống GPS hoạt động hiệu quả trong mọi điều kiện thời tiết và ở bất kỳ vị trí nào trên Trái Đất, 24 giờ mỗi ngày Mặc dù không có phí thuê bao hay chi phí thiết lập, người dùng vẫn phải đầu tư một khoản tiền không nhỏ để mua thiết bị thu tín hiệu và phần mềm hỗ trợ.
2.1.3 Nguyên lý xác định vị trí bằng GPS
Máy thu GPS xác định vị trí thông qua thuật toán trilateration, một phương pháp xác định vị trí bằng cách đo khoảng cách và sử dụng hình học của hình tròn, hình cầu hoặc hình tam giác Để dễ hiểu hơn về nguyên tắc này, ta có thể tham khảo ví dụ minh họa trong Hình 2.4.
Hình 2.4: Biểu diễn của trilateration trên hình tròn
Khi tín hiệu GPS được truyền từ các đài phát thanh ở Fresno, Los Angeles và Las Vegas, bạn có thể giải mã để xác định khoảng cách từ mỗi tháp (R1, R2, R3) Bằng cách sử dụng những khoảng cách này làm bán kính, bạn có thể vẽ vòng tròn xung quanh mỗi tháp Nếu chỉ nhận được tín hiệu từ Las Vegas và Los Angeles, bạn sẽ có hai điểm giao nhau giữa hai vòng tròn Tuy nhiên, khi thêm tín hiệu từ Fresno, bạn sẽ xác định được vị trí chính xác nhất, vì lúc này chỉ có một điểm giao nhau duy nhất giữa ba vòng tròn Hình 2.5 minh họa quá trình trilateration trong GPS, nơi mà mỗi tín hiệu từ vệ tinh có thể được hình dung như một hình cầu.
Máy thu GPS (màu xanh) nằm ở giao điểm của ba hình cầu (màu đỏ), trong khi vệ tinh thứ tư (vạch màu vàng) cung cấp thông tin về thời gian.
Từ kinh độ và vĩ độ giữa hai điểm, ta có thể tính khoảng cách (d) và góc (θ) giữa chúng Công thức Haversine được sử dụng để tính toán khoảng cách: a = sin²(Δφ / 2) + cos φ₁ ⋅ cos φ₂ ⋅ sin²(Δλ / 2), sau đó tính c = 2 ⋅ atan2(a, 1−a) và cuối cùng là d = R ⋅ c, trong đó R là bán kính trái đất (6,371 km) Lưu ý rằng các góc cần được tính bằng đơn vị radian Để xác định góc lệch giữa hai vị trí, công thức θ = atan2(sin Δ ⋅ cos φ₂, cos φ₁ ⋅ sin φ₂ - sin φ₁ ⋅ cos φ₂ ⋅ cos Δλ) được áp dụng.
Trong đó φ 1 , λ 1 là điểm bắt đầu, φ2 , λ 2 điểm kết thúc (Δλ = λ 2 - λ 1 là chênh lệch về kinh độ)
Hình 2.6: Khoảng cách từ GPS tới máy thu (smartphone)
Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2 (dải
Tần số L trong phổ điện từ nằm trong khoảng từ 0,39 đến 1,55 GHz, với GPS dân sự sử dụng tần số L1 1575,42 MHz trong dải UHF Tín hiệu GPS có khả năng truyền trực tiếp, cho phép chúng xuyên qua các vật liệu như mây, thủy tinh và nhựa, nhưng lại không thể vượt qua hầu hết các vật cứng như núi và nhà.
TỔNG QUAN DỊCH VỤ BẢN ĐỒ TRỰC TUYẾN
Internet đã mở ra kỷ nguyên phát triển mạnh mẽ của dịch vụ trực tuyến tại Việt Nam cách đây 20 năm, đánh dấu bước tiến lớn trong sự thay đổi toàn diện của xã hội Sự ra đời của bản đồ trực tuyến là một trong những thành tựu nổi bật, giúp người dùng dễ dàng tìm đường mà không cần phải sử dụng bản đồ truyền thống Nhờ vào công nghệ hiện đại, việc định hướng và di chuyển trở nên đơn giản hơn bao giờ hết, cho phép người dùng khám phá mọi địa điểm chỉ với vài thao tác dễ dàng.
Dịch vụ bản đồ trực tuyến hiện nay trở thành một phần thiết yếu trong cuộc sống công nghệ, chỉ đứng sau các dịch vụ email và Google Trên thị trường có nhiều nhà cung cấp dịch vụ bản đồ, nhưng Google Maps, MapQuest và Microsoft Bing Maps vẫn nổi bật nhất Tại Việt Nam, Google Maps giữ vị trí số một và là lựa chọn hàng đầu của người dùng.
Hình 2.10: Google Maps- bản đồ trực tuyến tốt nhất hiện nay
2.2.1 Tại sao lại có Googles Maps
Google Maps đóng vai trò quan trọng trong sứ mệnh của Google là tổ chức thông tin toàn cầu, giúp mọi người dễ dàng truy cập từ bất kỳ đâu Dù Google cam kết thực hiện sứ mệnh này, nhưng thông tin mà họ cung cấp không chỉ tồn tại trên môi trường trực tuyến Nhiều người dùng không thường xuyên trực tuyến, và Google Maps trở thành cầu nối giữa thế giới thực và không gian trực tuyến.
Google Maps đóng vai trò quan trọng trong việc đưa thông tin offline như hệ thống đường cao tốc, biển báo, và tên đường lên mạng Để thực hiện nhiệm vụ này, Google đang thu thập và tổ chức hàng chục triệu gigabyte dữ liệu, đảm bảo rằng không có thông tin nào cũ hơn 3 năm Để hỗ trợ quá trình này, Google đã hợp tác với nhiều đối tác thông qua Chương trình Đối tác Bản đồ Cơ sở (BMPP).
Dữ liệu từ các đối tác có thể bao gồm thông tin về sự thay đổi đường biên giới, các tuyến đường biển, lộ trình xe đạp và nhiều yếu tố khác.
2.2.2 Thu thập dữ liệu cho Google Maps
Việc thu thập dữ liệu để duy trì và cải thiện Google Maps là một nhiệm vụ khổng lồ, và điều đáng chú ý là không có thông tin nào có tuổi đời quá 3 năm Dự án này thực sự rất lớn và đòi hỏi sự nỗ lực liên tục.
Google hợp tác với các nguồn dữ liệu toàn diện và chính xác nhất thông qua chương trình Đối tác Bản đồ Cơ sở (Base Map Partner Program) để hỗ trợ nỗ lực này.
Nhiều cơ quan, bao gồm Cục Kiểm lâm Hoa Kỳ, Cục Công viên Quốc gia Hoa Kỳ và Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, đang cung cấp dữ liệu vector chi tiết cho Google, cùng với nhiều đơn vị khác.
Dữ liệu này giúp xác định các đường ranh giới và sông ngòi đã thay đổi, hiển thị các con đường mới và nhiều thông tin khác, đảm bảo rằng "bản đồ cơ bản" luôn được cập nhật một cách tối ưu.
Google Street View là một hành trình không ngừng nghỉ, với hàng triệu phương tiện di chuyển khắp thế giới Mục tiêu của dịch vụ này là ghi lại hình ảnh 360 độ trên mọi con đường mà chúng đi qua, mang đến cho người dùng trải nghiệm khám phá địa điểm một cách chân thực nhất.
Hình 2.11: Google hiển thị những hình ảnh Street View của họ lên trên bản đồ cơ bản
Dựa trên công nghệ GPS được tích hợp trên những phương tiện đó, Google hiển thị những hình ảnh Street View của họ lên trên bản đồ cơ bản
Street View không chỉ đơn thuần là một bức tranh toàn cảnh về các con đường và địa điểm, mà còn sử dụng công nghệ nhận diện ký tự quang học (OCR) ngày càng tiên tiến Nhờ vào công nghệ này, Google có khả năng "đọc" các thông tin như bảng hiệu đường, biển báo giao thông và tên doanh nghiệp, mang đến trải nghiệm phong phú hơn cho người dùng.
OCR giúp chuyển đổi thông tin từ hình ảnh thành dữ liệu điều hướng cho Google Maps Nếu tên đường đã thay đổi, ảnh Street View mới sẽ phát hiện ra sự khác biệt Điều này cũng góp phần vào việc xây dựng cơ sở dữ liệu chi tiết về doanh nghiệp địa phương của Google.
Google Maps cung cấp một lớp dữ liệu mới với tầm nhìn từ vệ tinh, tương tự như Google Earth Lớp này kết hợp những bức ảnh chụp từ vệ tinh có độ phân giải cao, mang đến cái nhìn chi tiết và gần gũi hơn về địa hình và các khu vực trên trái đất.
Các hình ảnh này được so sánh với các lớp dữ liệu khác, bao gồm Street View và các Đối tác Bản đồ, giúp Maps cập nhật những thay đổi về địa lý, các công trình mới hoặc đã được tu sửa.
Hình 2.12: Google map được ứng dụng trên smartphone kết hợp GPS để chỉ đường
Những người dùng Google Maps
Hình 2.13: Người dùng Google Maps có thể chỉnh sửa, đóng góp của mình
Google Map Maker là một công cụ của Google nhằm thu thập dữ liệu đám đông cho Google Maps, được ra mắt từ năm 2008.
CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI
UART, viết tắt của Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, là một giao thức truyền thông nối tiếp không đồng bộ, thường được tích hợp trong mạch điện tử Chức năng chính của UART là truyền tín hiệu giữa các thiết bị, chẳng hạn như từ laptop đến modem hoặc từ vi điều khiển này sang vi điều khiển khác.
Hình 2.15: Truyền dữ liệu qua lại giữa 2 vi điều khiển và giữa vi điểu khiển với PC
I2C, viết tắt của Inter-Integrated Circuit, là một giao thức bus dùng để giao tiếp giữa các IC Giao thức này thường được sử dụng để kết nối nhiều loại IC khác nhau, bao gồm vi điều khiển 8051, PIC, AVR, ARM, cũng như các chip nhớ như RAM tĩnh, EEPROM, bộ chuyển đổi tương tự số (ADC) và số tương tự (DAC) Ngoài ra, I2C còn được áp dụng cho các IC điều khiển LCD và LED, giúp tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu trong các hệ thống điện tử.
I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu:
- Một đường xung nhịp đồng hồ (SCL) chỉ do Master phát đi (thông thường ở 100kHz và 400kHz Mức cao nhất là 1Mhz và 3.4MHz)
- Một đường dữ liệu(SDA) theo 2 hướng
Hình 2.16: Giao thức truyền nhận dữ liệu của I2C
Khi một thiết bị ngoại vi được kết nối vào đường bus I2C, chân SDA của thiết bị sẽ được nối với dây SDA của bus, trong khi chân SCL sẽ kết nối với dây SCL.
Bus I2C cho phép nhiều thiết bị kết nối mà không gây nhầm lẫn, nhờ vào việc mỗi thiết bị được gán một địa chỉ duy nhất Mối quan hệ chủ/tớ giữa các thiết bị tồn tại trong suốt quá trình kết nối Mỗi thiết bị có thể hoạt động như thiết bị nhận, truyền dữ liệu, hoặc cả hai, tùy thuộc vào vai trò của nó là chủ (master) hay tớ (slave).
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 Sự phân biệt này là do thiết bị chủ nắm quyền điều khiển, tạo xung đồng hồ cho toàn hệ thống và quản lý địa chỉ thiết bị tớ trong quá trình giao tiếp Thiết bị chủ hoạt động chủ động, trong khi thiết bị tớ hoạt động bị động Điểm mạnh của I²C nằm ở hiệu suất và sự đơn giản, cho phép một khối điều khiển trung tâm quản lý nhiều thiết bị chỉ với hai lối ra điều khiển.
THIẾT KẾ
GIỚI THIỆU
Trong chương này, chúng tôi sẽ giới thiệu sơ đồ khối và lựa chọn linh kiện phù hợp với đề tài Bên cạnh đó, chúng tôi cũng sẽ trình bày sơ đồ nguyên lý của các board mạch và hướng dẫn cách kết nối giữa các module với nhau.
THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI
Với các yêu cầu đã đưa ra, nhóm thực hiện đã hình thành sơ đồ khối cho thùng rác như sau:
KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
KHỐI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
KHỐI NHẬN TÍN HIỆU GPS
KHỐI CẢM BIẾN LA BÀN
KHỐI CẢM BIẾN KHOẢNG CÁCH
Hình 3.1: Sơ đồ khối của thùng rác thông minh
Khối nguồn: Có chức năng cấp nguồn cho toàn mạch hoạt động
Khối xử lý trung tâm có vai trò quan trọng trong việc nhận và xử lý tín hiệu từ các thành phần như GPS, định thời gian, cảm biến khoảng cách và cảm biến la bàn số Sau khi xử lý, nó sẽ truyền tín hiệu điều khiển đến khối điều khiển động cơ, giúp động cơ hoạt động hiệu quả.
Khối nhận tín hiệu GPS nhận tín hiệu từ vệ tinh GPS để xác định chính xác kinh độ và vĩ độ đã được định sẵn Điều này hỗ trợ bộ xử lý trung tâm trong việc điều khiển khối động cơ hoạt động theo yêu cầu định vị vị trí đã chỉ định.
Cảm biến la bàn kết hợp với GPS giúp xác định chính xác phương hướng và góc rẽ đến các tọa độ đã biết.
Khối Cảm Biến khoảng cách: Có chức năng cung cấp cho hệ thống khả năng đọc khoảng cách tới vật cản
Khối điều khiển động cơ giúp đơn giản hóa việc điều khiển độc lập các động cơ, đồng thời cho phép khối xử lý trung tâm quản lý nhiều động cơ hơn với công suất lớn hơn.
Khối động cơ: Bao gồm các motor đảm nhiệm công việc giúp xe di chuyển.
THIẾT KẾ CÁC KHỐI
3.3.1 Khối xử lý trung tâm
Chức năng của hệ thống là tiếp nhận và xử lý tín hiệu từ các module như GPS, cảm biến khoảng cách, module định thời gian thực và cảm biến la bàn số Sau khi xử lý, hệ thống sẽ truyền tín hiệu điều khiển đến module điều khiển động cơ, giúp động cơ hoạt động theo lập trình của người sử dụng.
Hiện nay, thị trường cung cấp nhiều lựa chọn cho việc thiết kế khối xử lý trung tâm, trong đó vi điều khiển của hãng Microchip nổi bật với các tính năng ưu việt.
PIC 16F887, 18F4550, vi điều khiển hãng ATMEL (AT89C52), RASPBERRY PI, ARDUINO a) Vi điều khiển Pic và AT89C52
Hình 3.2: Vi điều khiển PIC 16F887 và AT89C52
PIC 16F và 18F là những vi điều khiển phổ biến nhưng có cấu trúc chân phức tạp, đòi hỏi người dùng phải hiểu rõ nguyên lý hoạt động của chúng Việc thiết kế mạch in cho các vi điều khiển này cũng tốn nhiều thời gian, gây khó khăn cho người sử dụng.
Hình 3.3: Bo mạch Raspberry Pi
Raspberry Pi là một máy tính nhỏ nhưng mạnh mẽ, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau, mặc dù chi phí đầu tư ban đầu không hề thấp.
Hình 3.4: Bo mạch Arduino Mega 2560
Trong những năm gần đây, Arduino đã phát triển mạnh mẽ và ảnh hưởng lớn đến thế giới hiện đại Với nguồn tài liệu phong phú trên mạng và thư viện hỗ trợ cho hầu hết các module cùng thiết bị ngoại vi, Arduino mang lại khả năng thao tác dễ dàng và kích thước bo mạch gọn nhẹ, là những ưu điểm nổi bật cho các dự án sáng tạo.
Với yêu cầu thực hiện các công việc điều khiển đơn giản và dung lượng chương trình nhỏ, việc lựa chọn Arduino là giải pháp hiệu quả Arduino không chỉ đáp ứng tốt cho hệ thống mà còn có độ phổ biến cao và giá thành rẻ, chỉ từ 75 nghìn VNĐ, so với các bộ Kit Raspberry (trên 1 triệu VNĐ) hay ARM (từ 400 nghìn VNĐ).
Nhóm đã quyết định chọn Arduino Mega cho thiết kế của mình vì nó hỗ trợ nhiều chân hơn so với Arduino Uno Điều này giúp chúng tôi không phải lo lắng về việc thiếu chân kết nối trong quá trình lập trình và điều khiển.
Arduino Mega 2560 là một bo mạch mạnh mẽ với 54 chân digital, trong đó có 15 chân hỗ trợ PWM, 16 đầu vào analog và 4 cổng UART Bo mạch này được trang bị thạch anh 16 MHz, cổng USB, jack cắm điện, đầu ICSP và nút reset Mặc dù có nhiều chân và tính năng hơn, Arduino Mega 2560 vẫn tương tự như Arduino Uno R3, cho phép lập trình theo cách giống nhau Sơ đồ linh kiện và chân của Arduino Mega 2560 hỗ trợ việc kết nối và sử dụng linh hoạt trong các dự án.
Hình 3.5: Sơ đồ linh kiện trong Arduino Mega 2560
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật Board Arduino Mega 2560
Vi điều khiển ATmega2560 Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào (được đề nghị) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V
Số lượng chân I / O 54 (trong đó có 15 cung cấp sản lượng PWM)
Dòng điện DC mỗi I / O 20 mA
Dòng điện DC với chân
Dòng điện DC với chân
Bộ nhớ flash 256 KB trong đó có 8 KB sử dụng bởi bộ nạp khởi động
Bao gồm 2 motor đảm nhiệm công việc giúp xe di chuyển
Để đáp ứng nhu cầu chạy xe với công suất vừa và tốc độ trung bình, động cơ DC là lựa chọn lý tưởng Động cơ DC không chỉ phổ biến và giá rẻ, mà còn dễ dàng lập trình điều khiển cho các mô hình Trong trường hợp này, động cơ DC giảm tốc JGA25-370 12V-250RPM được lựa chọn.
Hình 3.6: Một số hình ảnh về động cơ DC
- Dòng điện tiêu thụ: 340mA – 370 mA
- Số vòng/phút: 250 vòng/ phút khi không có tải
3.3.3 Khối điều khiển động cơ
Để điều khiển nhiều động cơ DC 12V mà không cần đảo chiều quay, giải pháp hiệu quả là sử dụng các module mạch cầu H Trên thị trường hiện có nhiều loại mạch điều khiển động cơ DC như L298, L293, L9110, DRV8833, H1, và TB6612 Tuy nhiên, để dễ dàng giao tiếp với board Arduino Mega 2560 và điều khiển đồng thời 2 động cơ DC, module L298 là lựa chọn phù hợp L298 nổi bật với độ thông dụng cao, dễ lắp đặt và có giá thành rẻ, chỉ từ khoảng 50 ngàn VNĐ.
Hình 3.7: Hình ảnh và sơ đồ chân module L298
Sơ đồ kết nối với Arduino
Hình 3.8: Kết nối module L298 với Arduino và động cơ
Mạch nguyên lý L298 kết nối với Arduino
V in G N D 5V 3 3V RE SE T IO RE F
VCC ENABLE_A ENABLE_B IN0 IN1 IN2 IN3 GND
VS SEN_A SEN_B OUT0 OUT1 OUT2 OUT3 L298
Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lí kết nối khối cảm biến với Arduino
3.3.4 Khối nhận tín hiệu GPS
Module GPS được xem như một máy thu tín hiệu từ vệ tinh GPS, rất cần thiết cho các dự án định vị và theo dõi chuyển động Với tốc độ cập nhật nhanh và độ chính xác cao, module này tích hợp sẵn anten, dễ dàng kết nối và sử dụng Mặc dù GPS Neo 6 là phiên bản cũ hơn so với Neo 7 và Neo 8, nhưng nó có giá thành rẻ, tiêu thụ điện năng thấp và vẫn đảm bảo độ chính xác trong việc xác định tọa độ, phù hợp với yêu cầu của dự án Một số tính năng nổi bật của module này bao gồm khả năng cập nhật nhanh và độ nhạy cao.
- Xác định tọa độ (kinh tuyến, vĩ tuyến) hiện tại của module trên bề mặt trái đất với sai số nhỏ nhất < 1m
Thời gian quốc tế được xác định bởi đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh, giúp bạn dễ dàng suy ra thời gian tại địa phương bằng cách trừ đi múi giờ tương ứng Điều này cho phép bạn không cần sử dụng module RTC.
Chỉ cần sử dụng 3 vệ tinh, bạn có thể xác định tọa độ chính xác, và với 4 vệ tinh, bạn có khả năng xác định độ cao hiện tại so với mực nước biển.
- Có thể tính toán ra tốc độ di chuyển, hướng di chuyển của vật thể được gắn module GPS
- Giải các bài toán về tính toán giữa 2 điểm bất kì, tính diện tích ở một không gian cực kì rộng lớn
Hình 3.10: Sơ đồ chân của module GPS Neo 6 Tương ứng
- E: Để hở chân này (không nối)
- G (GND): Nối với GND của arduino
- R: là chân RX của module này
- T: là chân TX của module này
- V: nối pin này với nguồn 3.3v (đến 5v)
- P: chân này để đặt ngắt báo module đã cập nhật xong vị trí sẵn sàng truyền dữ liệu (để hở pin này nếu không biết dùng)
- Điện áp sử dụng: 3-5 VDC
- Ic chính: Neo 6 nguyên chiếc của Ublox
- Hỗ trợ GPS-QZSS-GLONASS
- Giao tiếp: Serial (UART TTL)
- Anten rời hoặc Anten gốm- dán trực tiếp lên mạch để bắt sóng GPS tốt hơn
- Chu kỳ cập nhật tọa độ 0,1 s đến 1s tùy từng địa hình có thuận lợi hay không
Module GPS-Neo 6 được thiết kế với chân TXD và RXD chuẩn UART, giúp dễ dàng kết nối với Arduino Tín hiệu mà module nhận được phụ thuộc vào thời gian và không gian, với sai số khoảng 3-5m Đặc biệt, những khu vực thoáng đãng, ít vật cản sẽ giúp vệ tinh truyền tín hiệu chính xác hơn.
Sơ đồ kết nối với Arduino
Hình 3.11: Kết nối module GPS với Arduino
Mạch nguyên lý module GPS kết nối với Arduino
V in G N D 5V 3 3V RE SE T IO RE F
VCC GND TXD RXD PPS
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lí kết nối khối nhận tín hiệu GPS với Arduino
3.3.4 Khối cảm biến la bàn
La bàn là dụng cụ quan trọng giúp xác định phương hướng Dựa trên nguyên tắc của la bàn truyền thống, module la bàn số đã được phát triển, trong đó HMC5883L là sản phẩm nổi bật nhất, đáp ứng tốt các yêu cầu cần thiết cho các ứng dụng hiện đại.
SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH
Thiết kế "Thùng rác thông minh" yêu cầu tích hợp tính năng tự động di chuyển đến vị trí rác khi đầy hoặc theo thời gian quy định, và có khả năng quay về vị trí cũ bằng một nút nhấn Để đảm bảo độ chính xác trong di chuyển, thùng rác sẽ sử dụng các cảm biến siêu âm và la bàn Sau khi khảo sát và lựa chọn linh kiện, chúng ta đã xây dựng sơ đồ nguyên lý toàn mạch cho thiết bị này.
VCC ENABLE_A ENABLE_B IN0 IN1 IN2 IN3 GND
VS SEN_A SEN_B OUT0 OUT1 OUT2 OUT3
VCC GND SCL SDA DRDY
VCC GND TXD RXD PPS
KHỐI CẢM BIẾN KHOẢNG CÁCH
KHỐI NHẬN TÍN HIỆU GPS
KHỐI CẢM BIẾN LA BÀN
KHỐI XỬ LÍ TRUNG TÂM
Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Giải thích sơ đồ nguyên lý toàn mạch:
- Dùng nguồn Ac quy, cấp nguồn 12V vào Arduino và khối điều khiển động cơ
Khi nguồn được cấp qua Switch, module GPS sẽ được kích hoạt và nhận nguồn 3.3V từ Arduino, bắt đầu quá trình khởi động trong khoảng một phút Sau khi đèn trên module GPS-Neo 6 nhấp nháy ba lần, quá trình thiết lập hoàn tất Lúc này, module GPS sẽ nhận tọa độ đã được định vị và gán sẵn trong mã qua hai chân.
TX và RX để nhận và gửi dữ liệu qua lại giữa Arduino và module
Khi thùng rác đầy, tín hiệu từ chân Trig (nối vào A0 của Arduino) được phát hiện và truyền về chân Echo (nối vào A1 của Arduino) Lúc này, cảm biến siêu âm sẽ kích hoạt module GPS để đọc tọa độ vị trí đầu tiên.
Số lượng vị trí đã định vị trên Google Map sẽ quyết định quá trình di chuyển Tín hiệu GPS từ anten thu của module GPS sẽ cập nhật tọa độ cần di chuyển Để đảm bảo di chuyển đúng hướng, cần kết hợp thêm module la bàn số giúp thùng rác xác định phương hướng chính xác.
- Trong lúc di chuyển, ta có kết hợp với 3 con cảm biến siêu âm để né vật cản, và
1 con siêu âm để tự động mở thùng rác hoạt động tương tự như phát hiện rác đầy
Thay vì dựa vào bộ hẹn giờ tích hợp trong GPS, mạch sử dụng RTC DS1307 độc lập để đảm bảo độ chính xác về thời gian, phòng trường hợp GPS gặp sự cố.
