TỔNG QUAN
Quá trình phát triển kinh tế và công nghiệp hóa đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy đô thị hóa Sự gia tăng nhu cầu di chuyển, hay nhu cầu giao thông, luôn song hành cùng sự phát triển kinh tế.
Sự gia tăng đa dạng của phương tiện giao thông như xe gắn máy, ô tô, xe tải và xe buýt đã dẫn đến nhiều vấn đề nghiêm trọng như ùn tắc và tai nạn giao thông, gây khó khăn trong việc cảnh báo rủi ro cho người điều khiển Do đó, việc quản lý và giám sát tình trạng phương tiện trở nên cần thiết hơn bao giờ hết Để đối phó với tình hình này, chính phủ đã ban hành nghị định số 86/2014/NĐ-CP vào ngày 10/9/2014, thay thế cho các nghị định trước đó Nghị định này quy định việc lắp đặt thiết bị giám sát hành trình bắt buộc cho các xe kinh doanh vận tải, có hiệu lực từ ngày 01/12/2014, yêu cầu tất cả các phương tiện vận tải phải lắp đặt hộp đen theo tiêu chuẩn của Bộ Giao thông vận tải.
Từ ngày 01 tháng 7 năm 2018, xe ô tô kinh doanh vận tải hàng hóa có trọng tải thiết kế dưới 3,5 tấn bắt buộc phải áp dụng quản lý hộp đen Nhằm đáp ứng nhu cầu quản lý hiệu quả, nhóm nghiên cứu đã chọn đề tài “Giám sát và cảnh báo hoạt động phương tiện vận tải ô tô” Đề tài này sẽ thiết kế một thiết bị tích hợp GPS và cảm biến để lắp đặt trên xe, cho phép giám sát vị trí và gửi cảnh báo rung xe, ngã xe đến smartphone Nhờ 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 cho phép giám sát thiết bị thông qua smartphone, sử dụng các lệnh từ Module SIM808 để gửi thông tin giám sát và cảnh báo trực tiếp đến điện thoại.
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 về đề tài nghiên cứu, nêu rõ lý do và sự cần thiết của việc thực hiện đề tài Mục tiêu nghiên cứu được xác định cùng với các giới hạn cụ thể Ngoài ra, chương này cũng trình bày các bước thực hiện từ cơ bản đến chi tiết mà nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành trong quá trình thực hiện đề tài.
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 tín hiệu từ các vệ tinh nhân tạo GPS có khả năng xác định vị trí với độ chính xác từ vài trăm mét đến vài centimet Khi có tín hiệu từ ít nhất ba vệ tinh, người dùng có thể tính toán tọa độ chính xác tại bất kỳ vị trí nào trên trái đất.
Vào năm 1978, Bộ Quốc phòng Mỹ đã phóng 24 vệ tinh trị giá hàng 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 có tốc độ khoảng 11.200 km/h, với 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 hoạt động, trong khi 3 vệ tinh còn lại chỉ là hệ thống hỗ trợ Tín hiệu vô tuyến từ các vệ tinh này thường không đủ mạnh để xuyên qua các tòa nhà kiên cố, hầm ngầm hay các khu vực 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 đồng thời.
1 Nguyễn Quốc Vương, “Nghiên cứu, chế tạo hộp đen ô tô”, Luận văn Thạc sĩ, Trường DHSPKT, Tp.HCM,
2014. 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 định vị và dẫn đường cho các ứng dụng hàng không và dân dụng trở nên cấp thiết Tổng thống Reagan đã chỉ đạo 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 minh ra công nghệ SA nhằm tăng độ sai số và bắt đầu ứng dụng vào năm 1990 Đến tháng 5 năm 2000, khi kỹ thuật quân sự đã phát triển, Tổng thống Clinton quyết định tắt SA, dẫn đến sự bùng nổ nhu cầu sử dụng 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
1 Nguyễn Quốc Vương, “Nghiên cứu, chế tạo hộp đen ô tô”, Luận văn Thạc sĩ, Trường DHSPKT, Tp.HCM,2014.
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 chúng Thiết bị này hoạt động như một máy thu sóng vô tuyến đặc biệt, có khả năng nhận tín hiệu từ các vệ tinh để xác định vị trí Các thiết bị thu tín hiệu GPS có đa dạng về kích cỡ, hình dáng và mức giá, phù hợp với nhu cầu của người 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 Các thiết bị dùng cho ngành hàng hải và hàng không thường tích hợp tính năng giao diện với thẻ nhớ chứa bản đồ đi biển Đặc biệt, bộ phận thu nhận cho bản đồ có độ chính xác cao và giao diện người sử dụng 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 bao gồm máy thu mạch điện tử, các bộ dao động tần số vô tuyến
RF, các ăng ten và thiết bị ngoại vi là những thành phần thiết yếu cho hoạt động của máy thu Bộ phận này nổi bật với tính chắc chắn, khả năng xách tay, độ tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ dàng thao tác.
Phần mềm GPS bao gồm các chương trình xử lý dữ liệu để chuyển đổi thông tin GPS thành dữ liệu định vị hữu ích Những chương trình này cho phép người dùng tương tác để tận dụng tối đa các tính năng của GPS, đồng thời cung cấp thông báo về trạng thái và tiến độ hệ thống cho người điều hành Ngoài ra, phần mềm cũng bao gồm các chương trình phát triển tính độc lập của 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 nhiều lĩnh vực như cải tiến thiết kế máy thu, phân tích hiệu ứng của anten, và mô hình hóa sự truyền sóng Ngoài ra, việc phát triển các hệ thống truyền thông đáng tin cậy cho hoạt động định vị GPS ở các khoảng cách khác nhau cũng được chú trọng, cùng với việc theo dõi xu hướng phát triển về giá cả và hiệu suất thiết bị.
Phần điều khiển vệ tinh bao gồm 8 trạm kiểm soát trên mặt đất, với 4 trạm theo dõi đặt tại Hawaii, Kwajalein, đảo Ascension và Diego Garcia, cùng với một trạm điều khiển trung tâm và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu Lưới trắc địa tại các trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI) Trạm trung tâm có nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinh dựa trên dữ liệu thu được từ 4 trạm theo dõi, sau đó gửi các số liệu đã tính toán đến các trạm khác.
3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gởi tiếp tới các vệ tinh 1
Hình 2.5: Trạm mặt đất được sử dụng từ 1984-2007 1 c Phần không gian
Hệ thống vệ tinh bao gồm 27 vệ tinh, trong đó có 24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng, nằm ở độ cao 20.200 km so với mặt đất, với bán kính quỹ đạo 26.600 km Các vệ tinh này di chuyển ổn định và hoàn thành hai vòng quỹ đạo trong khoảng 24 giờ với tốc độ 7.000 dặm/giờ Để đảm bảo các máy thu GPS trên mặt đất luôn nhận được tín hiệu, các vệ tinh được bố trí sao cho ít nhất 3 vệ tinh có thể được nhìn thấy tại bất kỳ thời điểm nào Mỗi vệ tinh phát sóng hai tần số cao là L1 (175.42 MHz) và L2 (1227.62 MHz), trong đó chứa thông báo về tình trạng và vị trí của vệ tinh dưới dạng dữ liệu tần số thấp (50Hz) Dữ liệu này được các máy thu giải mã để xác định vị trí theo thời gian thực.
Các vệ tinh sử dụng năng lượng mặt trời và được trang bị pin dự phòng để hoạt động trong vùng tối Mỗi vệ tinh được gắn các tên lửa nhỏ nhằm duy trì quỹ đạo bay ổn định.
Hình 2.6: Các quỹ đạo của vệ tinh trong hệ thống GPS 1
Bộ thu GPS sử dụng tín hiệu từ các vệ tinh để xác định vị trí và thời gian truyền tín hiệu Các thành phần vị trí của vệ tinh được ký hiệu là x, y, z, trong khi thời gian truyền từ vệ tinh tới bộ thu được biểu thị là [xi, yi, zi, ti], với i = 1, 2, 3,…, n, trong đó n phải lớn hơn hoặc bằng 3.
Khi thời gian nhận tín hiệu được chỉ định bởi đồng hồ trên mạch điện là tr, thời gian nhận thực tế là (tr + b), trong đó b là độ trễ đồng hồ của bộ thu Thời gian truyền tín hiệu được tính là (tr + b – ti) Nếu tín hiệu được truyền với tốc độ ánh sáng (c), quãng đường truyền sẽ là (tr + b – ti) Biết khoảng cách từ bộ thu đến vệ tinh và vị trí của vệ tinh cho phép xác định rằng bộ thu nằm trên bề mặt của mặt cầu có tâm tại vị trí vệ tinh với bán kính bằng khoảng cách giữa vệ tinh và bộ thu Do đó, bộ thu sẽ là giao điểm của các mặt cầu khi nhận tín hiệu từ nhiều vệ tinh Trong trường hợp lý tưởng không có lỗi, bộ thu chính là giao điểm của các mặt cầu này.
Bộ thu có bốn ẩn số, ba thành phần của vị trí máy thu GPS và độ trễ đồng hồ
[x, y, z, b] Các phương trình của mặt cầu được xác định bởi:
(x-xi)2 + (y-yi)2 + (z-zi)2 = [(tr+b-ti).c]2, với i = 1,2,…, n (2.1)
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 cung cấp tiêu chuẩn chung cho các thuê bao di động, cho phép người dùng duy trì kết nối khi di chuyển giữa các vị trí địa lý khác nhau.
Tại Việt Nam, mạng điện thoại GSM vẫn chiếm ưu thế trong lĩnh vực viễn thông, tương tự như nhiều quốc gia khác trên thế giới Các nhà mạng GSM lớn tại Việt Nam bao gồm những tên tuổi nổi bật, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dịch vụ di động cho người tiêu dùng.
- Công nghệ của mạng GSM
Các mạng điện thoại GSM sử dụng công nghệ TDMA.
TDMA (Time Division Multiple Access) là công nghệ cho phép tối đa 8 máy di động chia sẻ một kênh truyền thông để thực hiện cuộc gọi Mỗi máy di động sẽ sử dụng 1/8 khe thời gian để gửi và nhận dữ liệu, giúp tối ưu hóa hiệu suất sử dụng kênh.
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 dựa trên mã, sử dụng mã số riêng cho mỗi cuộc gọi Khác với TDMA, CDMA không chỉ sử dụng một kênh cho từng cuộc gọi mà tận dụng toàn bộ phổ tần, cho phép truyền tải nhiều kênh cùng lúc Nhờ đó, CDMA đạt được tốc độ truyền dẫn tín hiệu cao hơn so với TDMA.
2.2.2 Cấu trúc cơ bản của mạng điện thoại di động
Mỗi mạng di động được cấu thành từ nhiều Tổng đài chuyển mạch MSC phân bố ở các khu vực khác nhau, như miền Bắc, miền Trung và miền Nam Mỗi Tổng đài này lại kết nối với nhiều trạm thu phát vô tuyến BSS, tạo thành một hệ thống liên lạc hiệu quả.
Hình 2.13: Mô hình mạng điện thoại di động 1 - Băng tần GSM 900 MHz
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 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 viễn thông của mình.
Băng tần GSM 1800 MHz cho phép điện thoại di động thu sóng trong dải tần từ 1805 MHz đến 1880 MHz và phát sóng trong dải tần từ 1710 MHz đến 1785 MHz Khi điện thoại nhận tín hiệu từ đài phát ở một tần số trong khoảng 1805 MHz đến 1880 MHz, nó sẽ trừ đi 95 MHz để xác định tần số phát Điều này tạo ra khoảng cách giữa tần số thu và phát trong băng tần GSM.
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 của thuê bao quốc tế, giúp nhà quản lý theo dõi và quản lý các cuộc gọi cũng như dịch vụ gia tăng khác.
Số IMEI là số nhận dạng di động quốc tế, được lưu trữ trong bộ nhớ ROM khi điện thoại xuất xưởng, và mỗi thiết bị có một số IMEI duy nhất Tại nhiều quốc gia, các nhà cung cấp dịch vụ quản lý số IMEI, giúp ngăn chặn việc sử dụng điện thoại bị đánh cắp Với sự phát triển của công nghệ hiện đại, khi bật máy, người dùng có thể xác định vị trí chính xác trong phạm vi 10m² nhờ vào công nghệ định vị toàn cầu.
1 Nguyễn Quốc Vương, “Nghiên cứu, chế tạo hộp đen ô tô”, Luận văn Thạc sĩ, Trường DHSPKT, Tp.HCM,
Hình 2.17: IMEI: Số nhận dạng thiết bị di động quốc tế 7
1 Nguyễn Quốc Vương, “Nghiên cứu, chế tạo hộp đen ô tô”, Luận văn Thạc sĩ, Trường DHSPKT,
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
+++ 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+CSMS d Chi tiết mô tả các lệnh dành cho tin nhắn SMS 1
Bảng 2.3: Lệnh AT dành cho tin nhắn SMS 1
]]] 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.
AT+CMGDA f Chi tiết về các lệnh đặc biệt dành cho SIM808
Bảng 2.5: Chi tiết các lệnh AT dành cho SIM808C 1
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.
Lệnh thực hiện thành công, MT gửi trả:
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.
Lệnh thực hiện thành công, MT gửi trả:
OK
Lệnh thực hiện không thành công:
NUM Tham số:
“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, hay "Inter-Integrated Circuit", là một bus nối tiếp được phát triển bởi Philips, ban đầu chỉ sử dụng cho các linh kiện của hãng này Nhờ vào tính ưu việt và sự 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, còn 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 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 điện áp dương của nguồn cấp thông qua điện trở kéo lên (pullup resistor) Điện trở kéo này là cần thiết vì chân giao tiếp I2C của các thiết bị ngoại vi thường ở dạng cực máng hở (opendrain hay opencollector) Giá trị của các điện trở này thay đổi tùy theo 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 thiết bị tớ Thiết bị chủ chịu trách nhiệm tạo xung đồng hồ cho toàn hệ thống và quản lý địa chỉ của thiết bị tớ trong quá trình giao tiếp Trong khi thiết bị chủ hoạt động chủ động, thiết bị tớ giữ vai trò bị động trong việc giao tiếp.
UART (Universal Asynchronous Receive/Transmit) là giao thức truyền dữ liệu không đồng bộ phổ biến và dễ sử dụng, thường được áp dụng trong việc giao tiếp giữa 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 một chuẩn giao thức quan trọng cho việc truyền thông giữa các thiết bị điện tử trên tàu thủy, bao gồm thiết bị đo tốc độ, la bàn, máy lái tự động và thiết bị thu GPS Chuẩn này được định nghĩa và phát triển bởi Hiệp hội điện tử tàu thủy quốc gia Hoa Kỳ (NMEA).
Chuẩn NMEA 0183 sử dụng ký tự ASCII và giao thức truyền thông nối tiếp để quy định cách thức truyền dữ liệu giữa thiết bị gửi và thiết bị nhận Tại tầng ứng dụng, chuẩn này xác định nội dung các kiểu câu dữ liệu, giúp thiết bị nhận phân tích dữ liệu một cách chính xác Mỗi câu dữ liệu bắt đầu bằng ký tự “$” và kết thúc bằng , trong đó tất cả các câu dữ liệu của thiết bị GPS đều có định dạng tương tự.
―$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 chuẩn NMEA 0183 để giao tiếp, trong khi một số thiết bị vẫn tương thích với chuẩn NMEA 0180 và NMEA 0182, với tốc độ truyền dữ liệu đạt 1200 bps Việc giải mã các đoạn mã NMEA là cần thiết để hiểu rõ hơn về thông tin mà thiết bị GPS 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
Thông thường cấu trúc chuỗi NMEA được định nghĩa thống nhất như sau:
+ Mỗi chuỗi bắt đầu bằng ký tự ―$‖.
Hai ký tự đầu tiên trong chuỗi xác định loại thiết bị sử dụng, trong khi ba ký tự tiếp theo chỉ ra ý nghĩa của chuỗi trả về.
Các trường dữ liệu trong chuỗi được phân cách bởi dấu "―,‖" và kết thúc bằng dấu "―*‖", sau đó là hai ký tự số checksum dưới dạng hex Checksum được tính bằng cách XOR tất cả các mã ASCII của các trường giữa dấu "―*‖" và "―$‖", 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 được sử dụng để kết thúc câu dữ liệu Nếu một trường dữ liệu nào đó không có thông tin, trường đó sẽ để trống, trong khi dấu ―,‖ vẫn được sử dụng để ngăn cách giữa các trường.
GGA (Dữ liệu GPS Fix) cung cấp thông tin quan trọng như thời gian, kinh độ, vĩ độ, độ cao, chất lượng hệ thống và số vệ tinh đang được sử dụng Đây là một định dạng đầu ra của SIM548 theo tiêu chuẩn NMEA.
Bảng 2.7:Giao thức GGA 1 Ý nghĩa
Kinh độ E/W Định dạng vị trí
Vệ tinh được sử dụng
HDOP Độ cao so với mực nước biển. Đơn vị Byte kiểm tra lỗi
Bảng 2.8: Định dạng vị trí 1
- 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
GSA (GNSS DOP and Active Satellites) provides essential information about the measurement mode (2D or 3D), the number of satellites used for positioning, and the accuracy of the measurement represented by the Dilution of Precision (DOP) This output format indicates the DOP values and the operational status of the satellites.
Bảng 2.9: Giao thức GSA 1 Ý nghĩa
GSV (GNSS Satellites in View) cung cấp thông tin chi tiết về số lượng vệ tinh có thể quan sát được cùng với các thông số cần thiết để phân tích hiệu suất của các vệ tinh này Định dạng GSV giúp người dùng nắm bắt thông tin quan trọng về các vệ tinh đang được sử dụng trong quá trình định vị.
Bảng 2.10: Giao thức GSV 1 Ý nghĩa
Số thông điệp nhận được.
ID của vệ tinh Độ cao
- 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
Sự thay đổi của độ lệch
- VTG—Course Over Ground and Ground Speed Định dạng này cho biết về hướng và tốc độ so với mặt đất.
Bảng 2.12: Giao thức VTG 1 Ý nghĩa
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 ra đời với vi điều khiển AVR và nhiều linh kiện khác, cho phép lập trình và xây dựng dự án một cách dễ dàng 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 này.
Arduino UNO R3 là một mạch vi điều khiển cơ bản, lý tưởng cho người mới bắt đầu học lập trình Arduino Sử dụng chip Atmega328 8 bit, Arduino UNO R3 hoạt động với điện áp 5VDC qua cổng USB và có tần số 16Mhz Mạch tiêu thụ khoảng 30mA, cung cấp 14 chân vào/ra, 6 chân Analog, với dòng tối đa trên mỗi chân I/O là 30mA Nó cũng có 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 được sử dụng để kết nối giữa Arduino và máy tính, cho phép truyền dữ liệu và debug chương trình Ngoài ra, cổng này còn cung cấp nguồn điện cần thiết để Arduino hoạt động.
- 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 Điện áp hoạt động Điện áp đầu vào (được đề nghị) Điện áp đầu vào (giới hạn)
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 khuyến nghị và giới hạn, số lượng chân vào ra, các chân ngõ vào ra Analog, tổng dòng DC trên các I/O, bộ nhớ Flash, SRAM, tốc độ xung đồng hồ, cùng với 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 liên tục ở bất kỳ vị trí nào với tín hiệu ổn định 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 Việc kết hợp cả chức năng GPS và GSM đã khiến nhóm quyết định lựa chọn 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
Các ngõ vào ra với mục đích chung NETLIGHT
Các chân dành cho Sim card
Cảm biến rung HDX-1, với vỏ kim loại bền bỉ, độ nhạy cao và giá thành hợp lý, đã được nhóm nghiên cứu lựa chọn để sử dụng Thiết bị này hoạt động hiệu quả với điện áp dưới 24V.
Dòng tiêu thụ dưới 1mA.
Cảm biến gia tốc MPU-6050 GY-521 là một module tích hợp gia tốc 3 trục và con quay hồi chuyển 3 trục, cho phép kiểm soát cân bằng và định hướng chuyển động cho các thiết bị như robot, máy bay, drone, tay cầm chơi game, cũng như hệ thống giữ thăng bằng cho camera Ngoài ra, cảm biến này còn có khả năng nhận biết sự rơi, rung và lắc, giúp nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong nhiều ứng dụng khác nhau.
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.
Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.1 GIỚI THIỆU Để đảm bảo việc thi công mạch theo như ý tưởng, chuẩn xác và không xảy ra sự cố bắt buộc ta phải tính toán và thiết kế Với đề tài “Giám sát và cảnh báo hoạt động phương tiện vận tải ô tô” mục tiêu chính là thi công được mạch có thể lấy dữ liệu từ cảm biến gửi về Smartphone thì công việc tính toán, thiết kế sẽ có những bước cụ thể như sau:
- Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống
- Tính toán, thiết kế từng khối của hệ thống như:
+ Khối xử lý trung tâm.
+ Khối giao tiếp mạng GPS.
+ Khối giao tiếp mạng GSM.
+ Khối cảm biến gia tốc.
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống
Nhóm sẽ thiết kế từng khối theo sơ đồ khối, sau đó kết hợp các khối lại để hoàn thiện mạch giám sát và cảnh báo thiết bị qua smartphone.
Chức năng của từng khối:
Khối nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho các thành phần như khối xử lý trung tâm, khối giao tiếp mạng GPS, khối giao tiếp mạng GSM, đèn LED, chuông báo, cảm biến rung, cảm biến gia tốc và khối switch hoạt động.
Khối xử lý trung tâm là bộ phận chủ chốt của mạch, thực hiện các chức năng như kết nối mạng GSM để gửi tin nhắn và thực hiện cuộc gọi đến số đã được cài đặt trước Nó nhận tín hiệu từ các cảm biến rung và cảm biến gia tốc để thực hiện việc nhắn tin và gọi điện theo yêu cầu Đồng thời, khối này cũng nhận tín hiệu điều khiển từ Switch để thực hiện các tác vụ cụ thể và xuất tín hiệu ra khối LED và chuông báo.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Khối giao tiếp mạng GSM là thành phần quan trọng trong việc kết nối mạng di động với smartphone, cho phép người dùng gửi tin nhắn và thực hiện cuộc gọi Nó cũng tương tác với khối xử lý trung tâm để đảm bảo thực hiện các cuộc gọi và tin nhắn theo yêu cầu một cách hiệu quả.
-Khối giao tiếp mạng GPS: dùng để đo kinh độ, vĩ độ gửi về khối xử lý trung tâm.
Hiện nay, module SIM808 tích hợp cả giao tiếp mạng GPS và GSM, cho phép thiết kế một khối giao tiếp hoàn chỉnh Nhóm đã phát triển sơ đồ khối để kết hợp hai chức năng này thành một khối thống nhất, mang tên "Khối giao tiếp mạng GPS và GSM".
- Khối cảm biến rung: dùng để đo độ rung của thiết bị nhằm để chống trộm xe.
- Khối cảm biến gia tốc: dùng để đo độ nghiêng của xe nhằm để phát hiện xe bị xảy ra tai nạn.
- Khối Switch: dùng để chọn trạng thái muốn điều khiển gửi qua khối xử lý trung tâm để thiết bị hoạt động như yêu cầu.
- Khối Led: dùng để hiển thị trạng thái của xe và được nối tới đèn xi-nhan xe nhằm cảnh báo khi xe bị ngã.
- Khối chuông báo: dùng để cảnh báo khi bị rung xe.
Smartphone là thiết bị hỗ trợ giám sát vị trí xe qua Google Map, cung cấp cảnh báo rung và thông báo khi xảy ra va chạm qua tin nhắn hoặc cuộc gọi Bên cạnh đó, người dùng có thể gọi đến SIM trong thiết bị để yêu cầu gửi tọa độ chính xác.
Sau khi hiểu rõ chức năng của từng khối, việc tìm hiểu cách chúng kết hợp và tác động lẫn nhau là cần thiết Điều này giúp khám phá hoạt động của hệ thống khi các khối được lắp ghép lại, từ đó nhận diện những lợi ích mà sự kết hợp này mang lại.
Hoạt động của hệ thống:
