TỔNG QUAN
Tính cấp thiết của đề tài
Nền kinh tế Việt Nam hiện đang phát triển nhanh chóng, kéo theo sự thay đổi liên tục trong nhu cầu giao thông Giao thông trở thành một nhu cầu thiết yếu, đặc biệt trong xã hội phát triển, với nhu cầu di chuyển và lưu thông hàng hóa ngày càng tăng Tuy nhiên, sự phát triển này đã vượt quá khả năng của cơ sở hạ tầng, dẫn đến nhiều khủng hoảng và ảnh hưởng đến an toàn giao thông Một ví dụ điển hình là vụ tai nạn giữa container và xe Innova trên đường cao tốc vào ngày 10/05/2018, cho thấy sự cần thiết phải xác định và cảnh báo về các phương tiện có khả năng va chạm, nhằm đảm bảo an toàn cho người tham gia giao thông.
Hình 1.1: Container đâm phải xe con trên đường cao tốc
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển tự động, đã thúc đẩy ý tưởng về hệ thống giao thông thông minh trong vài thập kỷ qua Một trong những hệ thống nổi bật được nghiên cứu là hệ thống giao thông thông minh (IOT), với nền tảng chính là công nghệ C2X, bao gồm C2V (Vehicle-To-Vehicle) cho phép giao tiếp không dây giữa các phương tiện và C2C (Car to Car hay V2I - Vehicle to Infrastructure) cho phép giao tiếp giữa phương tiện và các hệ thống hạ tầng như máy chủ tích hợp trên đường.
Hệ thống giao tiếp thông minh giữa các phương tiện đang được phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, và Việt Nam cũng bắt đầu chú trọng nghiên cứu lĩnh vực này trong những năm gần đây Với 45 triệu xe máy lưu hành, Việt Nam đứng đầu thế giới về số lượng xe máy (số liệu năm 2016), tuy nhiên, 70% tai nạn giao thông tại các thành phố lớn như Hồ Chí Minh và Hà Nội liên quan đến xe máy Mặc dù số lượng xe máy dự kiến sẽ vượt 30 triệu chiếc vào năm 2020, các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào ô tô và các hệ thống thu phí tự động, mà chưa chú ý đến xe máy Trong bối cảnh đường xá chật hẹp và lưu lượng xe máy phức tạp, việc phát triển một thiết bị hỗ trợ an toàn cho người lái xe gắn máy là rất cần thiết Do đó, tôi đã chọn đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu hệ thống cảnh báo hỗ trợ an toàn xe máy dựa trên hệ thống C2X".
Tình hình nghiên cứu
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước:
Sự phát triển nhanh chóng của xã hội đã dẫn đến tình trạng ùn tắc giao thông ngày càng gia tăng tại các thành phố, với 75% khí thải gây hiệu ứng nhà kính đến từ các phương tiện giao thông Tình trạng này không chỉ làm lãng phí thời gian của người tham gia giao thông mà còn gây ra mất an toàn Tại thành phố Curitiba, Brazil, mặc dù 45% dân số sử dụng xe buýt, nhưng cứ 3 ngày lại xảy ra một vụ tai nạn liên quan đến xe buýt Ở Việt Nam, sự phát triển hạ tầng giao thông không theo kịp nhu cầu xã hội, dẫn đến ùn tắc và tai nạn trở thành vấn đề thường nhật, ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống và môi trường Ý tưởng về hệ thống giao thông thông minh đã được nghiên cứu và ứng dụng tại Madrid, Tây Ban Nha, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng mô hình Car2X có thể hỗ trợ an toàn cho người lái, trong khi mô hình lái xe “xanh” giúp tiết kiệm nhiên liệu và thời gian chờ đợi trong giờ cao điểm.
Hệ thống C2X, dựa trên nghiên cứu các vụ va chạm xe máy, cho thấy khả năng giao tiếp tối thiểu là 369m ở đô thị, 478m ở nông thôn và 1118m giữa các xe máy, giúp giảm 80% nguy cơ tai nạn so với các mô hình khác Nghiên cứu của Emmanuel Ndashimye từ Đại học Auckland chỉ ra rằng hệ thống V2I trong C2X có tính khả thi cao trong việc kết nối phương tiện với cơ sở hạ tầng, đặc biệt là với sự phát triển của công nghệ 5G Dong Ngoduy và cộng sự đã hoàn thiện mô hình hệ thống giao thông dựa trên chuẩn C2X, mở ra cơ hội phát triển thành phố thông minh với nhiều tiện ích như hệ thống cảnh báo an toàn, cưỡng bức dừng xe khi đèn đỏ, và tối ưu hóa lộ trình cho xe cấp cứu.
Hệ thống Internet of Things (IoT) đang được nhiều quốc gia phát triển nhằm kết nối tất cả đèn giao thông và phương tiện giao thông Tuy nhiên, chưa có công trình cụ thể nào được công bố Liu Zhenyu và cộng sự đã nghiên cứu một hệ thống giao tiếp giữa xe để cảnh báo an toàn cho người đi bộ qua điện thoại thông minh, nhưng hệ thống này không ổn định khi phụ thuộc vào nguồn năng lượng của thiết bị Batos và cộng sự đã đề xuất số lượng cảm biến cần thiết cho mô hình thành phố thông minh, nhưng tính thực tiễn của phương pháp chưa được làm rõ Zeeshan Hameed Mir và đồng nghiệp đã phân tích sự khác biệt giữa các mô hình giao tiếp hiện có của phương tiện Apratim Choudhury và cộng sự đã mô phỏng thành công một mô hình giao thông sử dụng kết nối giữa các xe để tính toán tốc độ di chuyển trong khu vực cụ thể Ami Munshi và đồng nghiệp cũng đã kết hợp thành công công nghệ rada (DS-CDMA) vào các phương tiện giao thông.
Mặc dù C2X đã được phát triển, nhưng các ứng dụng hữu ích liên quan đến radar vẫn chưa được triển khai Felipe Jiménez và các cộng sự đã nghiên cứu và đề xuất hệ thống hỗ trợ lái xe an toàn (ADAS), có khả năng tác động vào chân ga để giảm tốc độ khi đến những khu vực nghi ngờ có sự cố Trong khi đó, Bing Liu và các cộng sự đã đề xuất thuật toán CACC-VI nhằm tối ưu hóa số lượng xe qua ngã tư đèn tín hiệu bằng cách sử dụng hệ thống V2X.
B Schünemann và cộng sự[16] đã sử dụng VSimRTI để mô phổng hệ thống V2X, mô phỏng này thể hiện được nhiều mặt linh hoạt cũng như dễ dàng kết nối với các mô phỏng khỏc Christian Weiò [17] đó giới thiệu hệ thống SimTD, một hệ thống mụ phỏng chuẩn bị khi các xe được đưa vào thực tế sử dụng Masao Fukushima [18] đã mô hình tất cả các ứng dụng khả thi có thể ứng dụng vào hệ thống C2X, nhằm tăng tính an toàn khi lái xe ở Nhật Bản A.S Chekkouri và cộng sự[19] đã nghiên cứu và chỉ ra các mặt hạn chế và tích cực của hệ thống kết nối các xe từ đó đề ra phương án cải thiện Walter Balzano và cộng sự [20] đã xây dựng hệ thống giao tiếp xe khi đi qua các đoạn hầm chui dựa trên V2X Michel Marot [21] và cộng sự đã đưa ra một thuật toán mô phỏng các xe với tốc độ tùy ý để xác định khoảng cách tối ưu giữa các thiết bị trong hệ thống V2X
1.2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam:
Các đề tài đã được nghiên cứu ở nước ta:
GS TSKH Cao Tiến Huỳnh, thuộc Viện Tự động hóa, Bộ Quốc phòng, đã nghiên cứu và thiết kế các thiết bị và hệ thống tự động kiểm tra, giám sát nhằm nâng cao an toàn giao thông đường bộ Dự án của ông đã đạt được thành công trong việc ứng dụng hệ thống giao thông thông minh, tuy nhiên, hiện tại chỉ tập trung vào hệ thống điều phối giao thông cho người đi bộ, trong khi đối tượng xe hai bánh vẫn chưa được chú trọng.
TS Tạ Tuấn Anh, thuộc Trung tâm tin học và tính toán của Viện Hàn Lâm KH&CN Việt Nam, đang nghiên cứu về việc xây dựng cấu trúc cho Hệ thống giao thông thông minh Ông cũng tập trung vào việc phát triển các quy chuẩn công nghệ thông tin, truyền thông và điều khiển nhằm áp dụng hiệu quả trong Hệ thống giao thông thông minh tại Việt Nam.
Việt Nam Đề tài chỉ dừng lại ở xây dựng một mô hình cấu trúc mà chưa có một sản phẩm hỗ trợ thực tế [23]
ThS Nguyễn Đình Khoa từ Viện khoa học và công nghệ giao thông vận tải đang nghiên cứu ứng dụng giao thông thông minh (ITS) nhằm quản lý khai thác, điều hành giao thông và thu phí trên hệ thống đường ô tô cao tốc Việt Nam Mặc dù đề tài đã áp dụng hệ thống giao thông thông minh cho công tác quản lý, nhưng chưa hỗ trợ vận hành và áp dụng cho xe máy Hiện nay, hệ thống IoT tại Việt Nam chưa được nghiên cứu rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực hỗ trợ giao thông Mặc dù giao thông thông minh đã được chính phủ chú trọng nghiên cứu qua nhiều công trình, nhưng các ứng dụng chủ yếu tập trung vào làn đường cao tốc và quản lý thu phí, chưa nhắm đến xe gắn máy hay hỗ trợ vận hành Tuy nhiên, các đề tài này đã xây dựng một bộ khung quy chuẩn để phát triển các hệ thống liên quan trong tương lai tại Việt Nam.
Dựa trên tổng quan nghiên cứu, hệ thống hỗ trợ lái cho phương tiện, đặc biệt là xe máy, vẫn chưa được chú trọng nghiên cứu Vì lý do đó, tôi quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu hệ thống cảnh báo hỗ trợ an toàn xe máy dựa trên hệ thống C2X” Đề tài này áp dụng các kết nối không dây và mô hình tương tác tiên tiến của hệ thống IoT để xây dựng một mô hình thực tế, có khả năng cảnh báo các phương tiện tham gia giao thông về nguy cơ va chạm.
Mục đích của đề tài
Nghiên cứu thiết bị điện tử vi điều khiển giao tiếp với mạch điện tử tương tự qua sóng Wifi, cho phép hoạt động độc lập nhờ nguồn pin gần mặt đồng hồ xe Thiết bị này thu thập thông tin từ sóng Wifi của các phương tiện gắn mạch, xử lý dữ liệu và cung cấp cảnh báo cho người điều khiển.
7 khiển các phương tiện di chuyển với tốc độ cao đang tiến đến để người điều khiển phương tiện kịp thời xử lý.
Đối tượng nghiên cứu
Mô hình phần tử vi điều khiển IoT giao tiếp qua mạng vô tuyến theo mô hình C2X là đối tượng nghiên cứu chính, với mục tiêu tự động hoạt động độc lập thông qua lập trình Nghiên cứu này cũng tập trung vào các hệ thống IoT, phương thức kết nối, khả năng định danh, xác định, cùng với vai trò quan trọng của các phần tử vi điều khiển và cảm biến trong đề tài.
Nhiệm vụ đề tài
Tôi chọn đề tài này nhằm đạt được các mục tiêu sau khi nghiên cứu:
Nghiên cứu mô hình hệ thống giao thông thông minh (IoT) kết hợp với các tiêu chuẩn áp dụng trên phương tiện giao thông, nhằm phản ánh tình hình giao thông thực tế, sẽ giúp xây dựng mô hình thí nghiệm hiệu quả.
- Nghiên cứu phương án khả thi nhất để có thể ứng dụng được ngay vào thực tế xe gắn máy hiện nay
- Chế tạo một mạch điện tử có khả năng hỗ trợ người lái xe an toàn
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu sau:
Phương pháp nghiên cứu tài liệu tập trung vào việc khám phá hệ thống C2X cùng với các thành phần liên quan, bao gồm các loại sóng truyền dẫn dữ liệu và giao thức truyền dẫn dữ liệu Việc hiểu rõ những yếu tố này là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất và tính hiệu quả của hệ thống C2X.
Tác giả sẽ phát triển một mô hình hỗ trợ người lái xe máy, từ đó tiến hành thí nghiệm để kiểm tra tính ổn định của mô hình Bên cạnh đó, tác giả cũng sẽ đề xuất các cải tiến cho mô hình trong tương lai.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu
Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, việc phát triển một hệ thống kết nối tất cả các phần tử qua internet để xử lý thông tin thời gian thực trở nên khả thi hơn bao giờ hết Hệ thống IoT (Internet of Things) đang thu hút sự quan tâm của xã hội, cho phép áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Đặc biệt, trong lĩnh vực giao thông, IoT được triển khai qua hệ thống giao thông thông minh (ITS - Intelligent Transport System), nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn cho các hoạt động di chuyển.
Hệ thống giao thông thông minh (ITS) ra đời tại Nhật Bản vào những năm 1980 nhờ sự phát triển vượt trội của khoa học điện tử Đây là một dự án quốc gia, và từ hội nghị khoa học đầu tiên về ITS vào năm 1993, lĩnh vực này đã thu hút nhiều chuyên gia và được duy trì hàng năm Nhiều quốc gia đã nghiên cứu và ứng dụng ITS với kết quả khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của từng nơi Với sự phát triển của IPv6 và giá thành bo mạch kết nối ngày càng rẻ, việc xây dựng một hệ thống IoT toàn diện đang trở nên khả thi hơn bao giờ hết.
Hệ thống ITS được xây dựng dựa trên giao tiếp C2X (Car to X), bao gồm V2I (Vehicle to Infrastructure) và V2X (Vehicle to X), cùng với C2C (Car to Car) hay V2V (Vehicle to Vehicle) Hệ thống này cho phép truyền tải thông tin giữa các cảm biến, máy tính, bo mạch và các phương tiện, tạo ra kết nối mạng giữa phương tiện và cơ sở hạ tầng.
Chín cột đèn giao thông sẽ được trang bị bộ phát sóng vô tuyến, giúp cung cấp thông tin cho các phương tiện giao thông Bên cạnh đó, khả năng kết nối và chia sẻ thông tin giữa hai phương tiện (C2C) cũng sẽ được thực hiện thông qua hệ thống mạng không dây.
Hệ thống giao thông thông minh (ITS) được phát triển nhằm nâng cao hiệu quả quản lý giao thông, giảm thiểu tai nạn và tình trạng kẹt xe, đồng thời giảm bớt gánh nặng cho con người trong việc điều khiển giao thông ITS là kết quả của sự kết hợp giữa nhiều lĩnh vực khoa học như viễn thông, điều khiển, điện tử, tin học và thống kê Hệ thống này sử dụng nhiều cảm biến để thu thập thông tin về tốc độ xe, vị trí và điều kiện thời tiết, cho phép các dữ liệu này liên lạc với nhau qua máy tính và máy chủ, từ đó cung cấp các cảnh báo và thông tin hữu ích cho phương tiện và người tham gia giao thông.
ITS (Hệ thống giao thông thông minh) là một mô hình áp dụng khái niệm IoT (Internet of Things) vào lĩnh vực giao thông, nhằm kết nối tất cả các thiết bị, phương tiện và cơ sở hạ tầng giao thông vào một mạng lưới Mạng lưới này có thể là internet toàn cầu hoặc mạng cục bộ, cho phép chia sẻ thông tin và tự động hóa quy trình giao thông Mặc dù tự động hóa đã tồn tại từ lâu trên nhiều thiết bị mà không cần kết nối mạng, nhưng khả năng phối hợp giữa các hệ thống để nâng cao tiện nghi và giảm thiểu sự can thiệp của con người vẫn còn hạn chế Nhờ vào đặc tính của IoT, các phương tiện và thiết bị trong ITS có khả năng tự động hóa và xử lý thông tin theo thời gian thực, góp phần cải thiện hiệu quả và an toàn trong giao thông.
Internet Kết Nối Vạn Vật (IoT) là một hệ thống kết nối mọi vật trong cuộc sống như nhà cửa, xe cộ và thiết bị y tế, cho phép chúng tự động hóa và theo dõi các quá trình cụ thể Ý tưởng về IoT đã xuất hiện từ lâu với nhiều ví dụ như đèn thông minh và điều hòa thông minh Tuy nhiên, dự án được kỳ vọng nhất vẫn là phát triển các thành phố thông minh, nơi mà công nghệ IoT có thể cải thiện chất lượng cuộc sống.
IoT, hay Internet of Things, đã xuất hiện từ những ngày đầu phát triển thiết bị bán dẫn, nhưng nhiều thiết bị như laptop và smartphone thường không được coi là một phần của IoT do chưa được kết nối mạng Dự án đầu tiên về IoT là chiếc máy bán hàng tự động tại Đại học Carnegie Melon vào năm 1980, cho phép kết nối qua Internet để kiểm tra tình trạng và bổ sung nước mà không cần tiếp xúc trực tiếp Tuy nhiên, công nghệ thời điểm đó chưa đủ phát triển để thực hiện thành công Những yếu tố cốt lõi của IoT bao gồm vi xử lý giá rẻ, khả năng kết nối Wi-Fi và khả năng định danh, điều này rất quan trọng cho IoT Đến năm 2013, Tổ chức Global Standards Initiative on Internet of Things (IoT-GSI) mới định nghĩa IoT là "Hạ tầng cơ sở toàn cầu phục vụ cho xã hội thông tin, hỗ trợ các dịch vụ điện toán chuyên sâu thông qua các vật thể được kết nối nhờ công nghệ thông tin và truyền thông."
The Internet of Things (IoT) concept was introduced by Kevin Ashton from the MIT Auto-ID Center in 1999, referring to interconnected objects primarily used in industrial settings to automate processes, reduce errors, and enhance efficiency Key technologies involved in IoT include barcodes, smart tags, sensors, voice recognition, and biometrics Since 2003, Auto-ID technology has been defined as Radio Frequency Identification (RFID).
Mục tiêu của Auto-ID là xây dựng một mạng lưới kết nối các thiết bị máy móc, bao gồm cả phần cứng và phần mềm, cùng các giao thức và ngôn ngữ mô tả đối tượng theo cách mà máy tính có thể nhận biết Auto-ID Labs không hướng tới việc tạo ra một mạng toàn cầu mới, mà tập trung vào việc phát triển các thành phần hiện có của Internet.
Today, there are over two billion Internet-connected devices, and with the introduction of IPv6 (Internet Protocol Version 6), the potential for network connectivity could reach 50 to 100 billion devices by 2020 Predictions indicate that the number of connections could increase by as much as 30 times compared to current levels.
The Internet of Things (IoT) encompasses various applications that enhance automation and minimize human intervention Key applications include smart cities, smart environments, smart metering, security and emergencies, retail systems, industrial control, smart homes, and eHealth Some of these applications are programmed to predict scenarios before receiving input data, showcasing the transformative potential of IoT in modern society.
Giới thiệu một mô hình cơ bản cho phương tiện giao thông
Nhiều mô hình hệ thống giao thông thông minh đã được triển khai và thử nghiệm trên toàn cầu, chủ yếu sử dụng vi xử lý kết hợp với mô-đun kết nối mạng không dây Mô-đun này thực hiện việc kết nối với máy chủ để trao đổi thông tin với các thành phần khác trong hệ thống.
Hình 2.1: Một mô hình mô phỏng hệ thống ITS
Trong mô hình giả lặp này người ta sử dụng điện thoại thông minh như là phần tử giao tiếp cố định( trạm phát sóng)
Mô đun thu thập dữ liệu chịu trách nhiệm thu thập, sát nhập và lưu trữ dữ liệu tạm thời, kết nối với bảng điều khiển và USB để nhận tín hiệu từ nhiều nguồn cảm biến khác nhau Bo mạch Arduino được sử dụng cho mục đích này nhờ khả năng giao tiếp với các nguồn có dây và không dây, đồng thời dễ dàng trong thiết kế và phát triển.
Mô đun tiền xử lý và hiển thị dữ liệu cho phép thu thập thông tin từ card Arduino qua điện thoại thông minh, sau đó xử lý và trình bày kết quả trên màn hình hiển thị cho người dùng.
- Lưu trữ và truyền dữ liệu (Data store and transfer module): được sử dụng trong điện thoại để truyền thông tin đến các trạm xử lý
- Modun xử lý sau dữ liệu (Data postprocessing module): được lưu trữ trong các máy chủ để lưu thông tin và theo dõi dự đoán.
Hệ thống C2X
Hình 2.2: Sơ đồ khối các mối quan hệ giữa C2X và IoT
Hai thành phần cơ bản của hệ thống giao thông thông minh bao gồm C2X, nơi phương tiện kết nối với máy phát được lắp đặt trên đường, và C2C, cho phép hai phương tiện kết nối trực tiếp với nhau.
Hệ thống C2X (Car to X) là một mô hình kết nối không dây, cho phép phương tiện truy cập thông tin từ các cơ sở vật chất trên đường C2X cung cấp khả năng nhận và xử lý dữ liệu giao thông theo thời gian thực, bao gồm thông tin về đèn tín hiệu, tình trạng tắc đường và điều kiện môi trường Hệ thống này có thể áp dụng cho mọi loại phương tiện và mang lại nhiều ứng dụng hữu ích, từ việc tìm đường ít tắc đến hỗ trợ tìm kiếm bãi đỗ xe Đặc biệt, C2X giúp cảnh báo người điều khiển về các tình huống nguy hiểm và dự đoán khả năng xảy ra va chạm Trong tương lai, hệ thống này sẽ kết nối chặt chẽ với các xe tự hành, tạo ra môi trường giao thông không cần can thiệp của con người.
Kiến trúc cơ bản của hệ thống C2X
Hiện nay, nhiều quốc gia đang nghiên cứu và phát triển hệ thống C2X, tuy nhiên vẫn chưa có một tiêu chuẩn toàn cầu Mặc dù có sự khác biệt giữa các hệ thống, nhưng chúng đều chia sẻ một kiến trúc cơ bản giống nhau.
- Vehicle On-Board Unit (OBU): bộ điều khiển vi xử lý trang bị trên phương tiện
- Roadside Unit or Roadside Equipment (RSU or RSE): bộ phát sóng trang bị trên đường
Kênh giao tiếp an toàn là yếu tố quan trọng trong việc trao đổi thông tin qua mạng, nơi các phần tử cần một giao thức đảm bảo tính an toàn và bảo mật Điều này giúp duy trì tính hợp lý khi nhiều phần tử kết nối và tương tác với nhau.
Cấu trúc trong một hệ thống C2X
Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản một hệ thống C2X
Hệ thống C2X bao gồm các thiết bị nhúng giao tiếp qua mạng vô tuyến, tạo ra hai mối quan hệ cơ bản trong việc truyền tải thông tin.
Dữ liệu bằng sóng vô tuyến, hay còn gọi là mạng vô tuyến, được định dạng và trao đổi thông qua các giao thức Việc sử dụng sóng vô tuyến cho phép truyền tải thông tin một cách hiệu quả và linh hoạt, tạo điều kiện cho các thiết bị kết nối và giao tiếp với nhau trong mạng không dây.
Có rất nhiều ý tưởng và hệ thống đang được hoàn thiện về C2X nhưng tựu trung lại các giao thức này phải đáp ứng được hai tiêu chí:
1 Khả năng truyền dữ liệu ổn định hiệu quả bảo mật cao
2 Hệ thống trao đổi thông tin nhẹ nhàng ít tốn tài nguyên bộ xử lý
Các kiểu truyền dữ liệu trên C2X
Trong hệ thống C2X, có nhiều phương thức truyền dữ liệu, chủ yếu là truyền không dây Mỗi phương thức có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với từng kịch bản cụ thể Một hệ thống C2X hoàn chỉnh cần tích hợp linh hoạt các phương thức truyền này để đạt hiệu quả tối ưu.
Công nghệ giao tiếp Bluetooth hoạt động trên dải tần 2,4 GHz và hiện diện phổ biến trong các thiết bị như máy tính và smartphone Với khả năng truyền tải tín hiệu lên đến 1Mb/s, Bluetooth có thể hoạt động trong khoảng cách tối đa 100m, đồng thời cũng được xem xét cho các hệ thống C2X.
Hình 2.5: Lô gô của bluetooth
Công nghệ Bluetooth 5.0 là phiên bản mới nhất, thường được sử dụng trong C2X để truyền tải dữ liệu vô tuyến nhỏ Các nhà sản xuất trong ngành công nghiệp âm thanh đã áp dụng công nghệ này từ những phiên bản đầu tiên Tuy nhiên, một vấn đề tồn tại lâu nay là Bluetooth không thể truyền tải đầy đủ một tập tin âm thanh.
Bluetooth là công nghệ kết nối phổ biến nhất hiện nay, được tích hợp trên 99% điện thoại trên toàn thế giới, từ smartphone đến điện thoại phổ thông Việc sử dụng Bluetooth cho hệ thống C2X không chỉ đảm bảo khả năng kết nối mạnh mẽ mà còn tạo ra một mạng lưới kết nối khổng lồ, giúp cải thiện trải nghiệm người dùng.
Khoảng cách: 100m (ít vật cản)
Dung lượng truyền tối đa: 1Mb/s
Hình 2.6: Lô gô của Zigbee
Zigbee là một công nghệ truyền tải dữ liệu vô tuyến tương tự như Bluetooth, hoạt động trên băng tần 2.4GHz và được thiết kế cho các ứng dụng khoảng cách ngắn với tần suất truyền dữ liệu thấp Công nghệ này lý tưởng cho các hệ thống nhỏ như nhà thông minh và nhà xưởng thông minh, cho phép kết nối lên đến 65.000 thiết bị trong một hệ thống với phạm vi kết nối tối đa 100 mét Dữ liệu được truyền theo gói, với mỗi gói có dung lượng tối đa 128 bytes và khả năng tải xuống tối đa 104 bytes Mặc dù Zigbee không phổ biến trong thương mại và không hỗ trợ truyền tải dung lượng lớn, nó vẫn là một lựa chọn hiệu quả cho các ứng dụng cần kết nối nhiều thiết bị trong một không gian hạn chế.
Dung lượng truyền tối đa: 104 bytes đến 128 bytes
Z-Wave là công nghệ truyền tải dữ liệu không dây sử dụng song vô tuyến năng lượng thấp để giao tiếp trong khoảng cách ngắn và tiêu thụ rất ít tài nguyên năng lượng Dung lượng truyền tải với tốc độ 100kb/s và tối đa 232 thiết bị kết nối trong mộ hệ thống, phù hợp với những dạng tin nhắn cơ bản nhử điều khiển đèn thông minh, rơ le thông minh, hay các thiết bị chỉ có dưới 5 trạng thái hoạt động, mạng này cũng hoạt động ở tần số 2.4GHz, khoảng cách 30m và mang lại tính ổn định cực kì cao Mạng này là một giải pháp tuyệt vời để tận dụng các hệ thống đã có bằng cách chế tạo các hệ thống nhúng mang Z-wave, biến một hệ thống tự động hóa đơn thuần thành hệ thống có thể kết nối với nhau và kết nối với internet Thông số mạng:
Dung lượng truyền tối đa: 9.6/40/100kbit/giây
Wifi, viết tắt của Wireless Fidelity hay mạng 802.11, là công nghệ truyền tải dữ liệu không dây phổ biến nhất thế giới nhờ vào tính kinh tế và dễ ứng dụng Wifi chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số thành sóng vô tuyến, cho phép giao tiếp với các thiết bị khác Với tần số hoạt động cao hơn 2.4 GHz và 5 GHz, Wifi mang lại khả năng truyền tải dữ liệu nhanh chóng, tương đương với dây dẫn vật lý Nó cũng cung cấp kết nối ổn định lên đến 100m và bảo mật cao Hiện nay, tốc độ Wifi miễn phí tại một số quốc gia đã đạt tới 300 Mb/giây.
Tần số: 2.4GHz đến 60GHz
Dung lượng truyền tối đa: 300 MB/ giây
Hình 2.8: Lô gô của Wifi
5G đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp 4.0, cùng với AI, Big Data và IoT Mạng di động 5G cung cấp khả năng kết nối vượt trội, giúp giảm thiểu các yếu tố cản trở như địa hình và khoảng cách Với sự hỗ trợ của vệ tinh và trạm phát, độ ổn định của mạng không còn là vấn đề lớn Đặc biệt, các ứng dụng C2X/C2C yêu cầu truyền thông dài và không bị giới hạn bởi khoảng cách địa lý sẽ được hưởng lợi nhiều từ công nghệ 5G.
Lựa chọn đường truyền dữ liệu qua mạng di động 2G/3G/4G/5G là một quyết định thông minh nhờ vào tốc độ truyền tải cao tương đương với Wifi Tuy nhiên, mạng di động không hoàn hảo vì tiêu thụ năng lượng lớn tương ứng với khả năng kết nối Do đó, nhiều mô hình hiện nay đã chọn hệ thống kết hợp giữa Wifi và mạng di động 2G/3G/4G/5G để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.
Loại mạng: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G)
Khoảng cách: 35km đến 200km
Dung lượng truyền tối đa: 35-170kps (GPRS/2G), 120-384kbps (EDGE/2.75G), 384Kbps-2Mbps (UMTS/3G), 600kbps-10Mbps (HSPA/3G), 3-10Mbps (LTE/4G)
Hình 2.8: Ký hiệu của công nghệ 4G/LTE 2.6.6 NFC
Hình 2.9: Lô gô của NFC
NFC (Giao tiếp tầm ngắn) là công nghệ kết nối không dây với phạm vi dưới 10cm, cho phép hai thiết bị chia sẻ dữ liệu ngay lập tức khi được kích hoạt Mặc dù một số ý kiến cho rằng phương pháp này có thể là dư thừa vì truyền tải dữ liệu qua dây dẫn vật lý có thể hiệu quả hơn, nhưng những ưu điểm nổi bật của NFC vẫn khiến nó được ưa chuộng, bao gồm tính tiện lợi và khả năng kết nối nhanh chóng.
- Các bộ phận cần kết nối thường xuyên không cố định, chỉ kết nối trong một điều kiện cụ thể
- Khả năng bảo mật dựa trên một điều kiện có trước, vì điều này mà NFC thường được sử dụng trong các giao dịch tài chính thông minh
Sigfox là công nghệ truyền tải dữ liệu không dây, với nguyên lý hoạt động như mạng di động 2G/3G nhưng có những ưu điểm vượt trội như:
- Sigfox sử dụng các dải tần ISM được sử dụng miễn phí mà không cần phải được cấp phép để truyền dữ liệu
- Ăng ten rất nhỏ và đơn giản nếu so sánh với các phương thức khác
- Tốn năng lượng cực kì ít chỉ bằng khoảng 1% nếu so với 2G/3G/4G
- Khoảng cách truyền tải xa
Mặc dù Sigfox có nhiều ưu điểm, nhưng cũng tồn tại một số khuyết điểm, như tốc độ truyền tin chỉ đạt 1000 bit/giây Do đó, Sigfox thường được sử dụng như một công cụ để kiểm tra kết nối của các mạng khác hoặc các rơ le.
Hình 2.10: Mô hình của hệ thống SigFox Thông số mạng
Tần số: 868 MHz đến 915 MHz
Khoảng cách: từ 3km đến 50km
Dung lượng truyền tối đa: 1000 bit/giây
Hình 2.11: Lô gô của Neul
Neul là một hệ thống hoạt động ở băng tần 1 GHz, tương tự như SigFox, với ưu điểm tiêu thụ năng lượng rất thấp Hệ thống này có khả năng truyền tải dữ liệu tốt, đạt dung lượng tối đa lên tới 100 kbps mỗi giây.
Tần số: 900MHz, 458MHz, 470-790MHz
Dung lượng truyền tối đa: từ vài bps tới 100kbps
LIFI là công nghệ truyền dữ liệu không dây sử dụng ánh sáng thay vì sóng vô tuyến, với đèn LED được chọn để tiết kiệm năng lượng Nguyên lý hoạt động của LIFI tương tự như cáp quang, nhưng ánh sáng được truyền qua môi trường thay vì trong cáp Các thử nghiệm cho thấy tốc độ LIFI có thể đạt gấp 300 lần so với Wifi Tuy nhiên, một nhược điểm lớn là khả năng truyền ánh sáng không ổn định trong các môi trường khác nhau và không thể hoạt động khi có vật cản chắn.
Hình 2.12: Mô hình của LIFI
Tần số: sử dụng ánh sáng thay cho sóng vô tuyến
Khoảng cách: tùy thuộc vào môi trường
Dung lượng truyền tối đa: tương tự dây dẫn vật lý
LoRa, viết tắt của Long Range Radio, là công nghệ truyền tải dữ liệu không dây tiết kiệm năng lượng với khả năng truyền xa lên đến hàng km Nguyên lý hoạt động của LoRa là lọc dữ liệu ở các xung cao tầng trước khi số hóa và gửi đi, giúp giảm tải dữ liệu và tiêu thụ ít năng lượng Với một nguồn pin nhỏ, LoRa có thể hoạt động liên tục trong vài năm, nên thường được sử dụng cho các mạch rơ le ở những vị trí khó bảo trì Tần số hoạt động của mạng LoRa dao động từ 430MHz đến 915MHz.
Dung lượng truyền tối đa: 50kps
Hình 2.13: Lô gô của LoRa
Bảng 2.1: So sánh các thông số của các loại kết nối
Loại kết nối Tần số hoạt động
Dung lượng truyền tải trên giây
Bluetooth 2.4 GHz 1Mb/giây 100m Thấp
Zigbee 2.4 GHz 104 bytes đến 128 bytes trên giây
NFC 13.56MHz 100–420kbp/giây 10cm Trung bình
1000 bit/giây Đến 50 km Thấp
Neul 1 GHz 100 Kbp/giây 10 km Thấp
Tương đương dây dẫn vật lý
Tùy thuộc vào địa hình, chỉ truyền tốt trong môi trường trong suốt
1 GHz từ 430MHz đến 915MHz trên giây
Các giao thức C2X
Hệ thống C2X là một phần quan trọng trong các phương thức truyền dẫn vô tuyến, với vai trò là thuật toán giúp các đối tượng kết nối làm việc một cách có thứ tự và hiệu quả Hiện nay, nhiều hệ thống C2X đang được nghiên cứu, nhưng phổ biến nhất vẫn là năm hệ thống hàng đầu.
CÁC GIAO THỨC C2X PHỔ BIẾN
- MQTT (Message Queue Telemetry Transport)
- AMQP (Advanced Message Queue Protocol)
- XMPP (Extensible Messaging và Presence Protocol)
CoAP là giao thức truyền tải tài liệu theo mô hình client/server trên các giao tiếp vô tuyến, sử dụng giao thức con one-to-one, cho phép mỗi client kết nối với một server duy nhất Client có một số quyền nhất định đối với server, bao gồm GET (gửi nội dung mới), PUT (thay đổi vị trí nội dung), POST (đưa nội dung lên ưu tiên nhất định) và DELETE (xóa nội dung).
Hình 2.14: Mô hình của CoAP
2.7.2 AMQP (Advanced Message Queue Protocol)
AMQP là một giao thức quan trọng trong việc trao đổi dữ liệu giữa các ứng dụng và hệ thống khác nhau, không chỉ giới hạn trong các thiết bị Để thực hiện điều này, AMQP cần thiết lập một hệ thống tiêu chuẩn để chuyển đổi dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau thành một nguồn duy nhất.
RabbitMQ là một trong những Message Broker phổ biến, giúp lập trình viên giao tiếp hiệu quả giữa các thành phần trong hệ thống lớn.
Giao thức này tập trung vào việc kết nối trực tiếp giữa hai phương tiện, thay vì giữa phương tiện và máy chủ Nó hoạt động như một ngôn ngữ trung gian, mang lại khả năng mở rộng, thời gian thực, độ tin cậy cao và khả năng trao đổi dữ liệu tương tác hiệu quả.
Giao thức này chú trọng vào việc chia sẻ thông tin giữa các kết nối ngang hàng, cho phép các đơn vị xuất bản và nhận tin nhắn đồng thời Nó sử dụng cơ chế tương tự như MQTT nhưng không có chủ đề, với ba cơ chế đặc biệt để đảm bảo tính hiệu quả trong việc truyền tải thông điệp.
- Xác định ai sẽ nhận được tin nhắn
- Nơi người nhận được đặt
- Điều gì xảy ra nếu tin nhắn không thể được gửi
Hình 2.15: Sơ đồ khối của hệ thống DDS
Giao thức này giúp đơn giản hóa dữ liệu ban đầu bằng cách chuyển đổi chúng thành định dạng văn bản, tạo điều kiện cho các hệ thống khác nhau giao tiếp hiệu quả nhờ vào dữ liệu đã được đồng bộ hóa trước đó.
Giao thức hoạt động dựa trên các cổng ảo tại các máy chủ, có thể tồn tại hoặc không Nếu các cổng này có mặt, chúng hoạt động tương tự như nguyên tắc tường lửa trong các hệ thống an ninh mạng hiện đại Ngược lại, nếu không có cổng, giao thức sẽ hòa nhập một cách gần như hoàn toàn vào mạng lưới toàn cầu.
Hình 2.16: Sơ đồ khối hệ thống XML 2.7.5 MQTT (Message Queue Telemetry Transport)
Hình 2.17: Mô hình của MQTT
MQTT là một giao thức bao gồm hai thành phần chính là broker (máy chủ) và client (thiết bị kết nối) Hệ thống hoạt động dựa trên cơ chế Publisher và Subscriber, trong đó client gửi dữ liệu định kỳ (Publisher) và theo dõi một chủ đề cụ thể (Subscriber) Cách thức này tương tự như hoạt động của ứng dụng nổi tiếng Youtube.
MQTT là một giao thức nhẹ, được ứng dụng rộng rãi trong các mạng truyền dữ liệu lớn và nhỏ Với khả năng tiêu thụ ít điện năng và tài nguyên, MQTT rất phù hợp cho các ứng dụng M2M (Mobile to Mobile), WSN (Wireless Sensor Networks) và IoT (Internet of Things).
Những đặc trưng này khiến MQTT rất lý tưởng để sử dụng trong các môi trường bị giới hạn tài nguyên như:
- Những hệ thống mà khả năng truyền tải kém, các thiết bị vi xử lý bị giới hạn về tài nguyên
- Dung lượng tin nhắn nhẹ tăng độ chính xác làm mở rộng các hệ thống kết nối vô tuyến có thể sử dụng MQTT
- Truyền tải nhanh hơn tăng tính chính xác
Trong hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều điểm kết nối, gọi là mqtt client, kết nối đến một MQTT server hay còn gọi là broker Mỗi client đăng ký một số kênh (topic) thông qua quá trình gọi là "subscribe" Khi có dữ liệu được gửi từ bất kỳ trạm nào khác đến kênh đã đăng ký, client sẽ nhận được thông tin đó Ngược lại, khi một client gửi dữ liệu đến kênh, quá trình này được gọi là "publish".
Một giao thức quan trọng trong MQTT là QoS (Chất lượng dịch vụ), nó là thuật toán xác định mức độ ưu tiên cho các tin nhắn khi có nhiều tin nhắn trong hệ thống.
- At most once (Hầu như chỉ 1 lần): tin nhắn chỉ được gửi duy nhất một lần từ client
- At least once (Ít nhất 1 lần), các tin nhắn được gửi liên tục cho đến khi có thông báo đã nhận được tin nhắn
Giao thức QoS đảm bảo rằng cả client và server (broker) tham gia xác nhận chỉ một lần, từ đó chỉ có duy nhất một tin nhắn được gửi đi, tạo ra sự ổn định cao nhất trong quá trình truyền tải dữ liệu.
Hình 2.18: Sơ đồ khối hệ thống MQTT
Tôi quyết định chọn hệ thống truyền tải vô tuyến Wifi và giao thức truyền tải MQTT để chế tạo mô hình do các yếu tố kỹ thuật phù hợp.
Kết nối Wifi hiện nay được ứng dụng rộng rãi nhờ vào cơ sở vật chất sẵn có và dễ dàng triển khai trong thực tế Với tốc độ truyền cao và tính ổn định tốt, Wifi đáp ứng hiệu quả các nhu cầu kết nối trong nhiều mô hình khác nhau.
Khả năng định danh
Địa chỉ IP (Internet Protocol) là yếu tố thiết yếu trong môi trường internet, với IPv4 là phiên bản chủ yếu trước đây cho các trang web và máy chủ Tuy nhiên, sự phát triển của IoT và C2X đã tạo ra nhu cầu kết nối lớn hơn, dẫn đến sự cần thiết của IPv6 Địa chỉ IP là điều kiện tiên quyết cho IoT, khi mỗi thiết bị được gán một địa chỉ IP riêng biệt, quyết định tương lai của IoT IPv4 có khả năng cung cấp 4,2 tỷ địa chỉ IP, nhưng sự bùng nổ internet đã khiến số lượng địa chỉ này trở nên khan hiếm Mới đây, RIPE NCC đã thông báo sử dụng gói địa chỉ IP chưa cấp phát cuối cùng, nhấn mạnh sự cần thiết của IPv6 như một giải pháp cho tình trạng cạn kiệt địa chỉ của IPv4, đồng thời là yếu tố quan trọng trong sự phát triển của Internet of Things.
Địa chỉ IPv4 là giá trị nhị phân 32 bit, hiển thị dưới dạng bốn chữ số thập phân, cung cấp khoảng 4,3 tỷ địa chỉ, trong đó chỉ có 3,7 tỷ địa chỉ được sử dụng cho mục đích thương mại Ví dụ về địa chỉ IPv4 là 192.168.1.1 Trong khi đó, địa chỉ IPv6 là giá trị nhị phân 128 bit, hiển thị dưới dạng 32 chữ số thập lục phân, tạo ra khoảng 2^128 địa chỉ Một ví dụ về địa chỉ IPv6 là FDEC:BA98:7654:3210:ADBF:BBFF:2922:FFFF.
IPv4 chỉ cung cấp 2^32 địa chỉ mạng, dẫn đến tình trạng thiếu hụt địa chỉ cho các kết nối mới trên Internet Ngược lại, IPv6 với khả năng tạo ra 2^128 địa chỉ, mang lại giải pháp linh hoạt và mở rộng cho vấn đề này.
Bảng 2.2: So sánh thông số hai giá trị IPv4 vàIPv6
Cơ sở so sánh IPv4 IPv6
Cấu hình địa chỉ Hỗ trợ cấu hình thủ công Hỗ trợ tự động cấu hình và đánh số lại
Tính năng bảo mật Bảo mật phụ thuộc vào ứng dụng
IPSEC được tích hợp sẵn trong giao thức IPv6 Độ dài địa chỉ 32 bit (4 byte) 128 bit (16 byte) Đại diện địa chỉ Số thập phân Số thập lục phân
Phân mảnh được thực hiện bởi
Bộ định tuyến người gửi và chuyển tiếp Chỉ bởi người gửi
Nhận dạng tập tin nguồn Không có sẵn Có sẵn, nhận dạng thông qua tiêu đề
Lĩnh vực kiểm tra Có sẵn Không có sẵn
Mã hóa và xác thực Không cung cấp Cung cấp
Bộ vi xử lý và cảm biến
Để mô hình C2X hoạt động hiệu quả, các phần tử kết nối cần được thiết kế dưới dạng hệ thống nhúng, có đầy đủ chức năng như máy tính nhưng với kích thước nhỏ gọn Điều này đồng nghĩa với việc khả năng xử lý của hệ thống nhúng sẽ bị giới hạn so với các máy tính thông thường.
Ứng dụng IoT yêu cầu thiết bị có giá thành thấp, mỏng nhẹ, đồng nghĩa với việc năng lượng hoạt động cũng cần phải nhỏ gọn và tiết kiệm Do đó, thiết bị phải tiêu thụ công suất cực nhỏ để sử dụng nguồn năng lượng hạn chế Đối với ứng dụng C2X, thời gian phản hồi cần đảm bảo tính thời gian thực, cho phép hàng ngàn phần tử mạng truy cập mà không gây nghẽn mạng, với thời gian đáp ứng từ 10ms đến 1s Trong khi đó, ứng dụng C2C yêu cầu thời gian phản hồi từ 10us đến 10ms Đối với ứng dụng S2S (Server to Server), mặc dù không yêu cầu khắt khe về thời gian, nhưng thường yêu cầu thời gian phản hồi từ 3 đến 5 giây.
Cảm biến là thành phần then chốt trong Internet of Things, đảm nhiệm việc đo lường và cảm nhận giá trị từ môi trường xung quanh, sau đó truyền dữ liệu đến bộ vi xử lý để xử lý và phân tích.
Trong các hệ thống IoT, cảm biến đóng vai trò quan trọng, bao gồm cảm biến cảnh báo cháy rừng, động đất, nhiệt độ và độ ẩm Để tăng thời gian sử dụng của thiết bị, cảm biến cần tiêu thụ năng lượng thấp, đồng thời yêu cầu độ chính xác cao và thời gian phản hồi nhanh Ngoài ra, để giảm chi phí tổng thể của thiết bị, giá thành của cảm biến cũng phải hợp lý.
2.9.1 Vi xử lý ESP8266 NODE MCU
Hệ thống nhúng là sự kết hợp giữa phần cứng (vi mạch, cảm biến) và phần mềm (hệ điều hành, firmware) nhằm tự động hóa các quy trình Vi điều khiển ESP8266 NODE MCU là một vi xử lý mới, cho phép điều khiển thiết bị điện tử và tích hợp Wi-Fi 2.4 GHz Ngoài ra, ESP8266 hỗ trợ lập trình qua Arduino IDE, giúp người dùng dễ dàng truy cập vào nhiều thư viện và nhận được sự hỗ trợ từ cộng đồng lập trình.
Hình 2.19: Hình ảnh thực tế của vi xử lý ESP8266 NODE MCU
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của vi xử lý ESP8266 NODE MCU
Phương thức kết nối Wi-Fi: được chứng nhận tiêu chuẩn Wifi theo giao thức 802.11 b/g/n (HT20)
Tần số hoạt động 2.4GHz đến 2.5GHz
Tốc độ truyền tải dữ liệu 802.11 b: –91 dbm (11 Mbps)
Bộ vi xử lý CPU Tensilica L106 32-bit
Xung của vi xử lý 80MHz/160MHz
Hỗ trợ bảo mật WPA/WPA2 Điện áp hoạt động 3.3V thông qua cổng micro USB
Nhiệt độ hoạt động ổn định –40°C ~ 125°C
Tích hợp giao thức định danh TCP/IP
Lập trình trên các ngôn ngữ đa ngôn ngữ chủ yếu C/C++,
Số chân kết nối 11 chân kỹ thuật số IO (input, output) cung cấp tín hiệu đồng thời lấy tín hiệu
Hình 2.20: Sơ đồ chân và thông tin các chân trong thực tế của vi xử lý ESP8266 nodeMCU
Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) là một công nghệ xác định vị trí dựa trên dữ liệu từ các vệ tinh nhân tạo, được thiết kế, xây dựng và quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ Hiện tại, hệ thống này đang sử dụng 26 vệ tinh để cung cấp thông tin định vị chính xác.
Liên Xô phát triển hệ thống định vị GLONASS, trong khi Liên minh châu Âu sở hữu hệ thống Galileo Nhật Bản có hệ thống QZSS và Trung Quốc đang phát triển hệ thống định vị toàn cầu Bắc Đẩu với 35 vệ tinh.
Các vệ tinh GPS hoạt động bằng cách di chuyển quanh trái đất hai lần mỗi ngày theo quỹ đạo đã được xác định trước Chúng phát tín hiệu xuống bề mặt trái đất, từ đó cung cấp thông tin vị trí chính xác cho người dùng.
Máy thu GPS hoạt động bằng cách nhận tín hiệu từ nhiều vệ tinh khác nhau, từ đó đo thời gian tín hiệu được thu và tính toán khoảng cách Bằng cách sử dụng các hàm lượng giác, máy thu GPS có thể xác định chính xác vị trí địa lý trên bề mặt trái đất.
Về cấu trúc GPS gồm ba thành phần chính:
Các vệ tinh quay quanh trái đất được bố trí để đảm bảo rằng mọi điểm trên mặt đất đều có thể nhận tối thiểu bốn vị trí vào bất kỳ thời điểm nào Chúng hoạt động chủ yếu nhờ vào năng lượng mặt trời.
Các trạm dược trên mặt đất bao gồm 4 trạm phụ và 1 trạm trung tâm, có nhiệm vụ thu thập thông tin và điều chỉnh các điều kiện nhằm đảm bảo quỹ đạo của vệ tinh chính xác.
Phần sử dụng là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị này
Là công thức dung để xác định khoảng cách của hai vật thể khi biết vị trí GPS (kinh độ và vĩ độ) của chúng
Công thức Haversine được sử dụng để xác định khoảng cách giữa hai điểm trên bề mặt của một mặt cầu lớn dựa trên kinh độ và vĩ độ của chúng Cụ thể, công thức tính toán được diễn ra như sau: a = sin²(Δφ/2) + cos φ1 ⋅ cos φ2 ⋅ sin²(Δλ/2) và c = 2 ⋅ atan2 (√𝑎, √(1 − 𝑎)).
2 𝑛ế𝑢 𝑥 = 0 𝑣à 𝑦 < 0 𝑘ℎô𝑛𝑔 𝑥á𝑐 đị𝑛ℎ 𝑘ℎ𝑖 𝑥 = 0 𝑣à 𝑦 = 0 φ là vĩ độ, λ là kinh độ, R là bán kính trái đất (R = 6371km)
GPS NEO 7M là một cảm biến nhạy cao, dùng để đo chính xác vị trí của vật thể và cung cấp thông tin về kinh độ, vĩ độ Thiết bị bao gồm hai bộ phận chính: vi mạch xử lý tín hiệu và ăng ten Thông tin nhận được từ vệ tinh hoàn toàn miễn phí, không cần qua bất kỳ kênh đăng ký nào Ngoài ra, cảm biến còn có khả năng cung cấp tín hiệu tốc độ cho vi xử lý.
Hỗ trợ các loại GPS: GPS-QZSS-GLONASS
Chu kỳ cập nhật tọa độ 0,1 s đến 1s Độ sai lệch: ± 1m
Hình 2.21: Sơ đồ dây dẫn của một mô đun GPS NEO 7M
Chân NC: chân thường đóng
Chân GND: chân ground nối đất
Chân Rx và chân Tx là hai chân giao tiếp bất đồng bộ, thường được nối chéo với nhau Chức năng chính của chúng là truyền tải dữ liệu giữa mô đun vô tuyến và vi xử lý.
Chân VCC: chân nguồn của mô đun
Chân PPS: xung nhịp của mô đun theo đơn vị xụng nhịp trên giây
Hình 2.22: Hình ảnh thực tế của mô đun GPS NEO 7M Ăng ten
Vi xử lý của mô đun
LẮP ĐẶT VÀ LẶP TRÌNH CHO BO MẠCH ESP8826 NODE MCU 39
Ý tưởng thiết kế
Mô hình cơ bản của hệ thống C2X được thiết kế bao gồm hai phần tử và một trạm phát tín hiệu Hai phần tử này kết nối với mạng thông qua máy phát đặt bên đường, sử dụng vi xử lý giống nhau và có khả năng kết nối internet Chúng ghi nhận thông tin vị trí kinh độ và vĩ độ của phương tiện, sau đó gửi về máy chủ Khi hai phương tiện di chuyển về phía nhau với tốc độ vượt quá giới hạn cho phép, hệ thống sẽ phát cảnh báo qua đèn tín hiệu được lắp đặt trên mô hình.
Kết quả khảo sát
Sau khi khảo sát các cách kết nối và các giao thức truyền dẫn dữ liệu cũng như vi xử lý người nghiên cứu quyết định chọn:
Phương thức truyền dẫn phổ biến nhất hiện nay là Wifi, nhờ vào chuẩn kết nối rộng rãi trên toàn cầu Các tiêu chuẩn về độ ổn định, an toàn và bảo mật của Wifi được xác định rõ ràng và đáng tin cậy thông qua hệ thống tiêu chuẩn IEEE 802.11.
Mô đun GPS NEO 7M được sử dụng để nhận tín hiệu vị trí, rất phù hợp cho thí nghiệm nhằm cảnh báo khi có phương tiện khác lao nhanh đến phương tiện chủ Để thực hiện việc này, cần theo dõi thông số vị trí của cả hai phương tiện theo thời gian thực.
Vehicle On-Board Unit (OBU): bộ điều khiển vi xử lý là mạch vi điều khiển là ESP8826 Node MCU
Roadside Unit or Roadside Equipment (RSU or RSE): bộ phát sóng trang bị trên đường là điện thoại di động có khả năng chia sẻ Wifi ở tần số 2,4 GHz
Safe Communication Channel: giao thức truyền dẫn là giao thức MQTT
Vì những lý do sau:
Vi điều khiển ESP8826 Node MCU có kích thước nhỏ gọn 34.2 x 25.6mm, lý tưởng cho việc lắp đặt trên xe máy Với tốc độ xử lý lên đến 160 MHz, nó cho phép thực hiện các phép toán nhanh chóng và chính xác Bộ nhớ 4 MB hỗ trợ lập trình các ứng dụng phức tạp Hơn nữa, ESP8826 Node MCU sử dụng kết nối Wifi, mang lại độ ổn định cao và khả năng truyền dẫn tốt trong các điều kiện địa hình khác nhau, đồng thời tiêu tốn ít năng lượng, đảm bảo hiệu suất hoạt động lâu dài.
Giao thức MQTT có cấu trúc quản lý đơn giản, cho phép gửi và nhận các gói tin qua các chủ đề, giúp dễ dàng theo dõi và xử lý sự cố liên quan đến vi xử lý Hơn nữa, MQTT tiêu thụ ít băng thông, rất phù hợp cho các mô hình C2X quy mô lớn trong thực tế.
Mô đun GPS NEO 7M là thiết bị hiện đại nhất hiện nay, cho phép ghi nhận vị trí với độ chính xác cao trong bán kính 1m Với ăng ten lớn, mô đun này dễ dàng kết nối với vi xử lý ESP8826 Node MCU qua dây dẫn, giúp người dùng bố trí ở bất kỳ vị trí nào trên xe máy để thu sóng tốt nhất Ngoài ra, GPS NEO 7M còn cung cấp thông tin về tốc độ ngay trong mô đun, thuận tiện cho việc so sánh và phân tích.
Các thành phần cần thiết để thiết kế
Để lập trình cho vi điều khiển ESP8826 Node MCU, cần một môi trường lập trình phù hợp Arduino IDE được chọn làm môi trường lập trình vì sở hữu hệ thống thư viện phong phú, được nhiều lập trình viên tin dùng Thực tế cho thấy, Arduino IDE nổi bật với tính ổn định, là lựa chọn hàng đầu cho các dự án lập trình.
Giao thức MQTT, được cung cấp bởi trang web cloudmqtt.com, là một giải pháp miễn phí lý tưởng cho các dự án khoa học trên toàn cầu Giao thức này không chỉ hoạt động như một máy chủ mà còn hỗ trợ nhiều ứng dụng khác nhau, giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải dữ liệu.
41 diện theo dõi thông tin của các phần tử C2X, ở đây là hai vi điều khiển ESP8826 Node MCU
Hình 3.1: Sơ đồ khối phần cứng.
Thiết lập hệ thống MQTT trực tiếp trên internet
Để hệ thống có thể giao tiếp hiệu quả, cần một máy chủ (broker) lưu trữ các chủ đề (topic) và nhận tin nhắn (subscribe) Người nghiên cứu có thể sử dụng hệ thống MQTT miễn phí trên internet, điển hình là cloudmqtt.com, để hỗ trợ hoàn thành các dự án nghiên cứu của mình.
Gửi thông tin vị trí
Xử lý thông tin nhận được nếu trong ngưỡng nguy hiểm thì thông báo
Để sử dụng hệ thống trên cloudmqtt.com, người dùng cần tạo một tài khoản đăng nhập nhằm tăng cường tính bảo mật cho dự án Trên màn hình chính, chọn thẻ "Log in" và đăng nhập bằng email cá nhân Lưu ý rằng chỉ có tài khoản Gmail và GiftHub được chấp nhận Nếu không có, người dùng cần đăng ký để có tài khoản Trong trường hợp này, người nghiên cứu đã chọn đăng nhập bằng tài khoản Gmail cá nhân.
Hình 3.3: Đăng nhập cloudmqtt.com
Sau khi đăng nhập thành công, bạn có thể bắt đầu tạo dự án cho máy chủ hệ thống của mình bằng cách chọn thẻ "Create New Instance" để khởi tạo một dự án mới.
Hình 3.4: Tạo dự án mới
Trang web cung cấp hai tùy chọn cho người dùng: tùy chọn Cute Cat dành cho các dự án tiêu hao ít tài nguyên và miễn phí, và tùy chọn Dedicated cho những dự án tiêu hao nhiều tài nguyên với mức phí Người nghiên cứu cần điền tên dự án vào cột Name, ví dụ như “test esp8266 Nam”, chọn Plan là Cute Cat, và có thể thêm các từ khóa vào khung Tag để thuận tiện cho việc tìm kiếm khi có nhiều dự án cùng lúc.
Hình 3.5: Chọn kiểu dự án
Trang web cung cấp hai máy chủ, một ở Hoa Kỳ và một ở Châu Âu Để đảm bảo tốc độ truy cập tốt nhất, người dùng nên chọn thẻ US-East-1 (Northern Virginia), đây là máy chủ chính của trang web, trong khi máy chủ ở Châu Âu đóng vai trò là máy chủ phụ.
Hình 3.6: Chọn kiểu dự án
Sau khi chọn khu vực, trang web sẽ chuyển đến thẻ xác nhận (Configure) Nhấn chọn Create instance để hoàn thành
Hình 3.7: Hoàn thành tạo dự án mới
Sau khi nhận được dự án máy chủ, chúng ta sẽ được cung cấp một loạt thông tin bảo mật cần thiết, đây là các điều kiện để thiết bị có thể truy cập vào server.
Hình 3.8: Thông tin đăng nhập
Khi lập trình cho mạch ESP8826 NODE MCU ta phải khai báo tất cả thông tin máy chủ theo cú pháp sau:
PubSubClient MQTT("soldier.cloudmqtt.com", 17513, dulieu, c); void setup (){ ss.begin(9600);
WiFi.begin("tên trạm phát wifi", "mật khẩu trạm phát"); while (1)
{ delay(100); if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) break;}
Serial.println("Da vao duoc internet"); while (1){ delay(500);
47 if (MQTT.connect("test esp8266 Nam", "iwbkpbwd", "LjU9zGwyiPui")) break; }
Serial.println("Da ket noi duoc server MQTT");
Chúng ta quan tâm đến các thông số:
Server:soldier.cloudmqtt.com, đây là địa chỉ chính xác của máy chủ phân biệt với địa chỉ trên thanh đường dẫn của trình duyệt web
Port: 17513 cổng trên máy chủ mà các kết nối tiến hành truy cập vào
User và Password: "iwbkpbwd", "LjU9zGwyiPui", tên đăng nhập mà mật khẩu của Port ở đây cụ thể là Port 17513
Như vậy là server đã sẵn sàng để kết nối với cách thiết bị có kết nối internet và thông tin bảo mật của server.
Thiết lập Arduino IDE để lập trình ESP8266
Arduino IDE là phần mềm lập trình dành cho vi xử lý Arduino, rất phổ biến trong lĩnh vực kỹ thuật Môi trường lập trình của nó nhẹ nhàng, thân thiện và sử dụng ngôn ngữ C/C++ Ngoài ra, nó còn tích hợp thư viện phong phú từ cộng đồng lập trình viên toàn cầu tại https://github.com/ Arduino IDE tương thích với các hệ điều hành phổ biến như Windows, Mac OS và Linux, và hoàn toàn miễn phí để tải về và sử dụng.
Do hỗ trợ nhiều thư viện nên có thể dùng Arduino IDE để lập trình cho vi xử lý ESP8266
Sử dụng Arduino IDE để lập trình cho ESP8266 NODE MCU:
To access the board manager for Arduino, navigate to the File tab and select Preferences Then, under Additional Board Manager URLs, add the following link: http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json This URL allows you to download the necessary board manager.
Hình 3.9: Khai báo Arduino IDE để nhận thư viện vi xử lý ESP8266 NODE MCU
- Tiếp theo vào Tool, chọn thẻ Board, tiếp tục chọn thẻ Boards Manager
- Tìm kiếm từ khóa ESP8266 by ESP8266 Community, chọn Install Chờ phần mềm tự động chạy
Hình 3.10: Khai báo Arduino IDE để nạp vi xử lý ESP8266 NODE MCU
- Vào thẻ Tool chọn thẻ Board, tiếp tục chon thẻ Generic Lolin (wemos) D1 & R2 mini, đây là tên gọi của vi xử lý ESP8266 đối với Arduino
Chọn cổng Port phù hợp với module USB-to-UART để thiết lập giao tiếp UART, một giao thức phổ biến cho các vi xử lý Tuy nhiên, cổng này không tương thích trực tiếp với máy tính Windows, do đó cần có bước đệm để máy tính có thể giao tiếp hiệu quả với vi xử lý Bước này bao gồm việc khai báo các thông số cần thiết cho quá trình làm việc giữa máy tính và vi xử lý.
Chọn chế độ nạp Arduino as ISP, tức In System Programming, cho phép sử dụng Arduino như một mạch nạp cho vi điều khiển ESP8826 NODE MCU.
Hình 3.11: Chọn chế độ nạp cho Vi điều khiển ESP8826 NODE MCU
Vi điều khiển ESP8826 NODE MCU có thể kết nối với Arduino IDE được cài đặt trên máy tính thông qua cổng USB và cổng Micro USB của vi điều khiển.
Arduino IDE đã được cấu hình để lập trình cho vi xử lý ESP8266, cho phép ESP8266 sử dụng linh hoạt các thư viện được phát triển cho Arduino IDE.
Hình 3.12: Nạp chương trình cho ESP8266 NODE MCU thông qua cổng Micro USB
Lắp ráp hoàn thiện mạch
Sơ đồ mạch điện được kết nối đơn giản theo hình dưới, nguồn năng lượng là pin lithium ion có điện áp đầu ra là 3.3v
Để kết nối mô đun GPS NEO 7M, chúng ta thực hiện theo sơ đồ với hai chân RX (Receiver) và TX (Transmitter) được nối chéo nhau do hai mạch giao tiếp qua serial Chân Ground của hai mạch cần được nối chung Mô đun GPS NEO 7M sử dụng nguồn 3,3V từ vi xử lý ESP 8266 NODE MCU, trong khi vi xử lý nhận nguồn 5V thông qua cổng micro USB.
Hình 3.13 : Sơ đồ nối đây trên 1 thiết bị
Khi kết nối mô đun GPS NEO 7M, đèn đỏ sẽ sáng lên, báo hiệu rằng mô đun đang khởi động Sau khi nạp chương trình hoàn tất, đèn xanh lá cây sẽ bật, cho thấy mô đun đã sẵn sàng để hoạt động Đèn báo tín hiệu sử dụng công nghệ LED và được cấp nguồn từ chân D5 của vi điều khiển, đồng thời được nối đất chung với vi điều khiển.
Hình 3.14: Mô đun GPS NEO 7M khi chưa được kết nối (bên trái) và kết nối thành công (bên phải)
Lưu đồ giải thuật
Mục đích của thí nghiệm là phát triển hai thiết bị có khả năng kết nối qua wifi đến một máy chủ đã được thiết lập Hai thiết bị này sẽ gửi thông tin vị trí GPS, bao gồm kinh độ và vĩ độ, lên hai chủ đề được đặt tên là may1long (kinh độ của thiết bị số 1) và may1lat (vĩ độ của thiết bị số 1).
1) và may2long (kinh độ của thiết bị số 2), may2lat (vĩ độ của thiết bị số 2) Sau đó sẽ tiến hành đăng ký bản tin chéo của nhau thiết bị số 1 sẽ đăng ký nhận tin thừ thiết bị số
Thiết bị số 2 sẽ đăng ký nhận dữ liệu từ thiết bị số 1, cụ thể là hai chủ đề may2long (kinh độ của thiết bị số 2) và may2lat (vĩ độ của thiết bị số 2) Khi nhận được thông tin vị trí, thiết bị sẽ tiến hành tính toán trên vi xử lý ESP8266 NODE MCU bằng công thức Haversine Trong trường hợp có n phương tiện di chuyển cùng lúc, sẽ cần đăng ký nhận n - 1 chủ đề để thu thập dữ liệu vị trí.
Trong môi trường giao thông phức tạp với nhiều phương tiện di chuyển, việc xác định hướng di chuyển của các phương tiện là rất cần thiết Để thực hiện điều này, chúng ta có thể định danh các cơ sở vật chất như trụ phát sóng Wifi (A, B, C, ) Nếu một phương tiện kết nối từ A đến B, điều này sẽ biểu thị một hướng di chuyển cụ thể, trong khi phương tiện kết nối theo chiều ngược lại sẽ cho thấy hướng di chuyển ngược lại.
Hướng di chuyển 53 là hướng đối nghịch Do giới hạn của đề tài, tác giả chỉ trình bày mô hình cơ bản của hai thiết bị, vì vậy không lập trình phần này.
Hình 3.15 : Mối quan hệ giữa hai thiết bị với nhau và với máy chủ
Lựa chọn điều kiện nguy hiểm:
Vi xử lý sẽ thực hiện việc tính toán vị trí và tốc độ của hai phần tử, sau đó so sánh với một điều kiện an toàn đã được thiết lập trước Điều kiện an toàn này sẽ là cơ sở để tiến hành xử lý.
Khoảng cách an toàn được chọn dựa theo tiêu chuẩn Việt Nam: QCVN 09:2015/BGTVT, và được cho theo bảng sau (bảng 5 QCVN 09:2015/BGTVT)
Chủ đề: kinh độ máy 1
Chủ đề: kinh độ máy 2
Xe máy thường xuyên di chuyển trên những làn đường chung với xe tải và xe khách, vì vậy thông số từ xe tải và xe khách (hàng số 2) sẽ được áp dụng Chúng ta sẽ chọn tốc độ phù hợp cho xe máy trong điều kiện này.
50km/h và quãng đường phanh tối đa là 22 m :
Ta tính được khoảng thời gian phanh tối thiểu t:
13,88 ⋍ 1,584 (giây) khi tiến hành lập trình ta sẽ chọn ngưỡng tỉ lệ giữa khoảng cách và vận tốc giữa hai phương tiện là 1,584 giây
Với một phương tiện di chuyển ở vận tốc cho phép 50km/h, thời gian tối thiểu để hai phương tiện va chạm với nhau là 1,584 giây.
Hình 3.17: Lưu đồ giải thuật
Cài đặt chân tiến hiệu, khai báo
Kết nối với máy chủ https://www.cloudm qtt.com/
Kiểm tra điều kiện kết nối của mô đun GPS NEO 7M và ESP 8266
Gửi và nhận dữ liệu từ máy chủ https://www.cloudmqtt.com/
Chương trình “ dulieu” tự chạy
So sánh với điều kiện đã đặt ra
Bật đèn led cảnh báo
Kết thúc sai đúng đúng sai
Giải thích lưu đồ giải thuật:
Khi nhận nguồn điện từ pin, vi xử lý sẽ khai báo các giá trị cần thiết cho Wifi, mô đun GPS NEO 7M, cũng như tên đăng nhập và mật khẩu để kết nối với máy chủ www.cloudmqtt.com/.
Khi đã khai báo đầy đủ các mô đun, bước tiếp theo là kiểm tra khả năng kết nối Wifi Nếu chưa đủ điều kiện, cần quay lại bước kết nối Wifi Nếu các mô đun đã kết nối thành công, tiến hành gửi và đăng ký nhận thông tin từ máy chủ www.cloudmqtt.com/ Khi có dữ liệu từ chủ đề đã chọn, chương trình "dulieu" sẽ tự động chạy, với các hàm tính toán được thiết lập sẵn theo điều kiện đã cho Nếu các điều kiện được đáp ứng, đèn thông báo sẽ được bật.
Chương trinh “dulieu” là một chương trình của thư viện , chương trình này sẽ tự động chạy khi vi xử lý nhận được tín hiệu từ máy chủ.
Lập trình cho mạch ESP8826 NODE MCU
Sau khi kết nối các thành phần và nạp chương trình cho ESP8826 NODE MCU, chỉ cần cung cấp năng lượng từ pin để mô hình hoạt động Để kiểm tra, truy cập www.cloudmqtt.com, đăng nhập và chọn dự án đang sử dụng Chọn thẻ WEBSOCKET UI để theo dõi dữ liệu truyền tải, trang web sẽ hiển thị dữ liệu gửi lên các chủ đề, bao gồm vị trí kinh độ và vĩ độ của mô hình.
Hình 3.18: Kết quả thông tin vị trí nhận được khi theo dõi trên sever www.cloudmqtt.com
Hình 3.19 : Hình ảnh thực tế của thiết bị
