Đồ án tốt nghiệp: Giám sát và cảnh báo hoạt động ô tô - SV Đỗ Văn Hải

Tải miễn phí đồ án tốt nghiệp hệ thống giám sát và cảnh báo hoạt động ô tô. Báo cáo đầy đủ, chi tiết ứng dụng module SIM808 và Arduino.

• Tác giả: Nhóm nghiên cứu
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Ngô Lâm
• Trường học: Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Đồ án: Giám sát & cảnh báo hoạt động xe ô tô (Full)
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Giám sát Cảnh báo Ô tô

Hệ thống giám sát và cảnh báo hoạt động xe ô tô là một giải pháp công nghệ hiện đại giúp theo dõi tình trạng của phương tiện trong thời gian thực. Đồ án này tập trung vào việc phát triển một nền tảng toàn diện, cho phép chủ xe và các nhà quản lý vận tải giám sát hiệu suất xe, phát hiện sớm các vấn đề kỹ thuật và cảnh báo những sự cố tiềm ẩn. Công nghệ này không chỉ nâng cao an toàn giao thông mà còn tối ưu hóa chi phí bảo trì và kéo dài tuổi thọ của phương tiện.

1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng

Giám sát ô tô là quá trình theo dõi các thông số kỹ thuật như tốc độ, nhiệt độ động cơ, mức xăng, áp suất lốp và các chỉ số khác. Hệ thống cảnh báo tự động phát hiện bất thường và gửi thông báo để người lái hoặc chủ xe kịp thời xử lý. Tầm quan trọng nằm ở việc giảm thiểu rủi ro tai nạn, tiết kiệm chi phí vận hành và cải thiện hiệu suất quản lý vận tải.

II. Kiến trúc và Thành phần Hệ thống

Hệ thống giám sát toàn diện bao gồm các thành phần chính: thiết bị cảm biến IoT lắp trên xe, bộ xử lý dữ liệu trung tâm, và giao diện người dùng. Các cảm biến thu thập dữ liệu thời gian thực từ nhiều chỉ số hoạt động. Bộ xử lý phân tích dữ liệu và so sánh với các ngưỡng cảnh báo. Giao diện web và ứng dụng di động cho phép người dùng theo dõi và nhận thông báo. Kiến trúc hệ thống được thiết kế với tính năng mở rộng, đảm bảo có thể hỗ trợ nhiều phương tiện đồng thời.

2.1. Các cảm biến và thiết bị thu thập dữ liệu

Hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất lốp, cảm biến GPS, và các thiết bị OBD-II để theo dõi trạng thái động cơ. Mỗi cảm biến được lắp đặt ở vị trí quan trọng để đảm bảo đo lường chính xác. Dữ liệu được gửi đến bộ nhận tín hiệu qua kết nối không dây, hỗ trợ cả 4G/5G lẫn kết nối WiFi để đảm bảo liên lạc liên tục.

2.2. Nền tảng xử lý và lưu trữ dữ liệu

Backend sử dụng cơ sở dữ liệu NoSQL để lưu trữ lượng dữ liệu lớn từ nhiều xe. Hệ thống cloud computing đảm bảo xử lý dữ liệu nhanh chóng và an toàn. Các thuật toán phân tích dữ liệu thời gian thực giúp phát hiện bất thường và tạo cảnh báo tự động cho người quản lý.

III. Các Tính năng Chính của Hệ thống

Hệ thống cảnh báo thông minh tích hợp nhiều tính năng hiện đại. Theo dõi vị trí GPS cho phép biết chính xác vị trí xe bất kỳ lúc nào. Phát hiện lái xe nguy hiểm thông qua phân tích hành vi gồm tốc độ quá cao, phanh gấp hoặc quanh co. Cảnh báo bảo dưỡng định kỳ dựa trên quãng đường hoặc thời gian. Quản lý chi phí nhiên liệu bằng cách theo dõi mức tiêu thụ xăng. Hệ thống báo động khi phát hiện sự cố kỹ thuật như quá nhiệt động cơ hoặc áp suất lốp thấp.

3.1. Cảnh báo thời gian thực

Khi phát hiện sự cố, hệ thống gửi thông báo tức thì đến điện thoại hoặc email của chủ xe. Người dùng có thể tùy chỉnh mức độ ưu tiên cảnh báo và chọn loại thông báo cần nhận. Các cảnh báo được phân loại theo mức độ nghiêm trọng từ thông tin đến lỗi nghiêm trọng.

3.2. Báo cáo và phân tích thống kê

Hệ thống tạo báo cáo chi tiết về hoạt động xe trong các khoảng thời gian khác nhau. Các biểu đồ trực quan giúp dễ dàng so sánh hiệu suất. Dữ liệu lịch sử được lưu trữ để hỗ trợ phân tích xu hướng và dự báo bảo trì tương lai.

IV. Ứng dụng và Lợi ích thực tiễn

Giải pháp giám sát ô tô mang lại lợi ích toàn diện cho cá nhân và doanh nghiệp. Chủ xe cá nhân có thể nâng cao an toàn lái xe và giảm nguy cơ tai nạn. Các công ty vận tải quản lý được hạt đội xe, tối ưu lộ trình, giảm chi phí xăng. Bảo hiểm ô tô có thể sử dụng dữ liệu để đánh giá rủi ro chính xác hơn. Cơ sở hạ tầng giao thông có thể thu thập dữ liệu để cải thiện quy hoạch. Ứng dụng phổ biến nhất là trong ngành taxi, giao hàng, và quản lý bộ xe doanh nghiệp.

4.1. Lợi ích kinh tế

Giảm chi phí bảo trì nhờ phát hiện sớm các vấn đề, tránh sửa chữa lớn. Tiết kiệm nhiên liệu thông qua phân tích hành vi lái xe. Giảm chi phí bảo hiểm khi có chứng minh hành vi lái xe an toàn. Tăng năng suất vận tải bằng cách tối ưu hóa lộ trình và quản lý thời gian.

4.2. Lợi ích về an toàn và quản lý

Giảm tai nạn giao thông nhờ cảnh báo hành vi lái xe nguy hiểm. Tăng tuổi thọ phương tiện bằng cách bảo trì đúng thời. Cải thiện quản lý đội xe và kiểm soát chất lượng dịch vụ. Hỗ trợ điều tra và giải quyết tranh chấp thông qua dữ liệu lịch sử.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình phát triển kinh tế, công nghiệp hóa và hiện đại hóa thúc đẩy nhanh tốc độ đô thị hóa, kéo theo sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện tham gia giao thông đường bộ như xe gắn máy, ô tô, xe tải và xe buýt. Thực trạng mật độ phương tiện tăng cao dẫn đến các vấn đề ùn tắc và tai nạn giao thông, gây khó khăn cho việc kiểm soát, quản lý và cảnh báo rủi ro kịp thời cho phương tiện cũng như người điều khiển.

Về mặt pháp lý và thực tiễn quản lý, Chính phủ Việt Nam đã ban hành Nghị định số 86/2014/NĐ-CP ngày 10/09/2014 (thay thế Nghị định số 91/2009/NĐ-CP và Nghị định số 93/2012/NĐ-CP) quy định về việc bắt buộc lắp đặt thiết bị giám sát hành trình đối với phương tiện kinh doanh vận tải. Lộ trình quy định yêu cầu trước ngày 01/07/2018, tất cả xe ô tô kinh doanh vận tải hàng hóa có trọng tải thiết kế dưới 3,5 tấn phải lắp đặt thiết bị giám sát hành trình (hộp đen) đạt quy chuẩn của Bộ Giao thông Vận tải. Để quản lý và khai thác dữ liệu từ hộp đen một cách thuận tiện, cần có thiết bị giám sát và cảnh báo tự động gửi thông tin về điện thoại di động của người quản lý.

Đề tài đặt ra 3 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Thiết kế và thi công mạch phần cứng giám sát hoạt động phương tiện vận tải ô tô và phát tín hiệu cảnh báo cho người dùng.
2. Lập trình vi điều khiển Arduino để quản lý, giám sát và truyền nhận dữ liệu của thiết bị thông qua điện thoại thông minh (Smartphone).
3. Ứng dụng hệ thống tập lệnh chuẩn của module SIM808 nhằm gửi thông tin giám sát tọa độ và cảnh báo trạng thái xe về điện thoại thông minh qua cuộc gọi và tin nhắn SMS.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống nhúng giám sát hành trình tích hợp module SIM808 (tích hợp GPS và GSM), cảm biến rung, cảm biến gia tốc MPU-6050 và vi điều khiển Arduino Uno R3. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện dưới dạng thiết kế, thi công và đánh giá trên mô hình thực nghiệm phần cứng tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh từ tháng 03/2018 đến tháng 07/2018. Giới hạn kỹ thuật của hệ thống gồm: sai số định vị GPS ở mức chấp nhận được trên thực tế; tốc độ cập nhật tọa độ và dữ liệu phụ thuộc vào chất lượng sóng của nhà mạng di động; thiết bị không thể thực hiện chức năng gọi điện hoặc gửi tin nhắn SMS khi di chuyển ngoài vùng phủ sóng của mạng viễn thông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên các nguyên lý kỹ thuật truyền thông vô tuyến, hệ thống định vị vệ tinh và vi điều khiển nhúng:

• Hệ thống định vị toàn cầu (GPS - NAVSTAR): Cấu trúc gồm 3 mảng: mảng không gian (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng hoạt động trên 6 quỹ đạo ở độ cao 20.200 km, phát 2 sóng mang L1 tần số 1575,42 MHz và L2 tần số 1227,60 MHz mang luồng dữ liệu 50 bps gồm dữ liệu niêm giám, thiên văn, thời gian và trễ tầng điện ly); mảng điều khiển (các trạm theo dõi, trạm kiểm soát trung tâm và trạm hiệu chỉnh mặt đất); mảng người dùng (thiết bị thu sóng vô tuyến GPS). Nguyên lý định vị dựa trên việc giải hệ phương trình mặt cầu không gian với tối thiểu 3 đến 4 vệ tinh để xác định tọa độ $(x, y, z)$ và độ trễ đồng hồ $b$.
• Chuẩn giao thức NMEA 0183: Chuẩn giao tiếp dữ liệu nối tiếp sử dụng ký tự ASCII để truyền các câu bản tin định vị bắt đầu bằng tiền tố $GPxxx như GGA (dữ liệu định vị GPS cố định), GLL (tọa độ kinh độ/vĩ độ địa lý), GSA (chỉ số sai số DOP và các vệ tinh hoạt động), GSV (vệ tinh trong tầm nhìn), RMC (dữ liệu định vị tối thiểu khuyến nghị) và VTG (hướng di chuyển và tốc độ mặt đất).
• Mạng thông tin di động toàn cầu (GSM): Ứng dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA chia 8 khe thời gian trên mỗi kênh truyền; các băng tần GSM 900 MHz, GSM 1800 MHz và GSM 1900 MHz; quản trị thuê bao qua số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMEI, số thuê bao di động quốc tế IMSI và thẻ SIM.
• Các chuẩn giao tiếp phần cứng: Chuẩn nối tiếp không đồng bộ UART (truyền nhận qua 2 đường RX/TX giữa Arduino và module SIM808) và chuẩn nối tiếp đồng bộ I2C (giao tiếp 2 dây SDA, SCL với điện trở kéo lên pull-up từ 1 kΩ đến 4,7 kΩ để đọc dữ liệu từ cảm biến MPU-6050).
• Tập lệnh AT Command: Hệ thống tập lệnh điều khiển module SIM bao gồm tập lệnh cuộc gọi (ATA, ATD, ATH, ATDL...), tập lệnh tin nhắn SMS (AT+CMGF, AT+CMGS, AT+CMGR, AT+CMGD, AT+CNMI...) và các lệnh mở rộng cho module SIM808 (AT+CPOWD, AT+UART, AT+CADC, AT+CSMINS, AT+CMGDA, AT+CALARM).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, thiết kế kỹ thuật phần cứng, lập trình điều khiển và đo kiểm thực nghiệm:

• Phân tích và tổng hợp tài liệu chuyên ngành về thiết bị giám sát hành trình (hộp đen ô tô), giao thức truyền thông vô tuyến GSM/GPS và tập lệnh điều khiển vi xử lý.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý và vẽ mạch in 2 lớp (PCB layout) trên phần mềm Altium Designer; tiến hành gia công mạch in, hàn gắn linh kiện và lắp ráp phần cứng.
• Lập trình nhúng điều khiển vi xử lý bằng ngôn ngữ C/C++ trên môi trường Arduino IDE.
• Thực nghiệm đo kiểm tham số cảm biến trên Serial Monitor, hiệu chỉnh ngưỡng tác động và thử nghiệm khả năng gửi cảnh báo, định vị tọa độ thực tế trên Google Maps qua điện thoại thông minh.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm dữ liệu tọa độ định vị theo chuẩn NMEA từ vệ tinh GPS, tín hiệu điện áp analog/digital từ cảm biến rung, dữ liệu gia tốc góc 3 trục từ cảm biến MPU-6050 và tín hiệu mạng di động từ các nhà mạng viễn thông tại Việt Nam (Vinaphone, Mobifone, Viettel).

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module phần cứng liên kết chặt chẽ với khối xử lý trung tâm:

Khối chức năng	Linh kiện / Công nghệ sử dụng	Vai trò và thông số kỹ thuật
Khối xử lý trung tâm	Board Arduino Uno R3 (Vi điều khiển ATmega328P)	Thu thập dữ liệu từ các cảm biến, xử lý thuật toán cảnh báo, điều khiển module SIM808 và các cơ cấu chấp hành.
Khối truyền thông & GPS	Module SIM808 (mlab)	Tích hợp modem GSM 4 băng tần và bộ thu GPS có 22 kênh theo dõi, 66 kênh tiếp nhận, hỗ trợ công nghệ A-GPS; giao tiếp với Arduino qua cổng UART.
Khối cảm biến va chạm	Cảm biến rung cơ học	Phát hiện va đập, rung lắc mạnh; xuất tín hiệu đọc về vi điều khiển.
Khối cảm biến góc nghiêng	Cảm biến gia tốc MPU-6050	Đo gia tốc và tốc độ góc 3 trục; giao tiếp với Arduino qua bus I2C (chân SDA và SCL).
Khối cảnh báo & chấp hành	Còi báo (chuông), LED xi-nhan, Rơle/Switch ngắt	Phát còi hú, chớp đèn xi-nhan cảnh báo xung quanh và tự động ngắt hệ thống hoạt động của xe khi xảy ra tai nạn.

Hệ thống vận hành theo quy trình thuật toán được lập trình trên Arduino IDE:

1. Khởi tạo hệ thống: Cấu hình các chân I/O, thiết lập giao tiếp I2C với MPU-6050, cài đặt thông số UART (tốc độ baud) và cấu hình chế độ tin nhắn văn bản (AT+CMGF=1) cho module SIM808.
2. Xử lý yêu cầu định vị: Khi người quản lý gọi điện đến số thuê bao gắn trên SIM808, vi điều khiển nhận biết tín hiệu chuông, tự động ngắt cuộc gọi (ATH), trích xuất chuỗi kinh độ và vĩ độ từ dữ liệu GPS, sau đó đóng gói thành đường link Google Maps và gửi tin nhắn SMS phản hồi về số điện thoại vừa gọi.
3. Xử lý cảnh báo rung lắc: Cảm biến rung liên tục gửi giá trị về chân analog của Arduino. Ở trạng thái ổn định, giá trị đo dao động từ 1021 đến 1023. Khi có tác động rung lắc hoặc va đập mạnh làm giá trị tụt xuống dưới ngưỡng 900, vi điều khiển kích hoạt lệnh AT+CMGS gửi tin nhắn văn bản thông báo trạng thái rung xe về điện thoại theo dõi.
4. Xử lý sự cố ngã/lật xe: Cảm biến MPU-6050 liên tục đo gia tốc góc. Khi phát hiện xe bị nghiêng đổ với giá trị trục X vượt ngưỡng 10000, hệ thống lập tức kích hoạt rơle ngắt hoạt động động cơ xe, đồng thời bật còi hú và nhấp nháy đèn xi-nhan liên tục để báo động cho người xung quanh hỗ trợ cứu nạn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu thực tiễn về an toàn giao thông và quy định bắt buộc lắp đặt hộp đen theo Nghị định số 86/2014/NĐ-CP đối với xe kinh doanh vận tải hàng hóa dưới 3,5 tấn trước ngày 01/07/2018. Tác giả xác định mục tiêu thiết kế mô hình thiết bị giám sát, nêu rõ các bước nghiên cứu từ thiết kế mạch trên Altium Designer, lập trình trên Arduino IDE đến đo kiểm thực tế, đồng thời xác định các giới hạn về độ chính xác định vị và phụ thuộc sóng viễn thông.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng lý thuyết phục vụ đề tài:

• Trình bày lịch sử ra đời của GPS từ năm 1978, cấu trúc 3 phần (người dùng, điều khiển, không gian), nguyên lý giải phương trình chuyển hướng, cấu trúc tín hiệu sóng mang L1/L2, các loại mã C/A và P-code, cùng các nguồn lỗi ảnh hưởng như khúc xạ tầng điện ly/đối lưu, lỗi giao thoa và lỗi do chuyển động của máy thu.
• Trình bày kiến trúc mạng GSM, công nghệ TDMA, các dải băng tần GSM 900/1800/1900 MHz, cấu trúc số IMEI, số SIM, số IMSI, và bảng chi tiết hệ thống tập lệnh AT Command dùng cho cuộc gọi, tin nhắn SMS và các lệnh điều khiển phần cứng của SIM808 (AT+CPOWD, AT+CADC, AT+CSMINS...).
• Trình bày nguyên lý hoạt động của các chuẩn giao tiếp I2C, UART và định dạng các câu dữ liệu định vị theo chuẩn NMEA 0183 (GGA, GLL, GSA, GSV, RMC, VTG).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 tập trung vào thiết kế kỹ thuật hệ thống:

• Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống gồm khối xử lý trung tâm (Arduino Uno R3), khối SIM808, khối cảm biến rung, khối cảm biến gia tốc MPU-6050, khối đèn LED, khối Switch điều khiển và khối chuông báo.
• Tính toán và thiết kế sơ đồ ghép nối chi tiết giữa Arduino với từng module ngoại vi.
• Xây dựng hoàn chỉnh sơ đồ nguyên lý toàn mạch trên phần mềm Altium Designer.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa mô hình:

• Thiết kế mạch in PCB 2 lớp trên Altium Designer, bố trí linh kiện, tiến hành thi công bo mạch và kiểm tra thông mạch sau khi gia công.
• Lắp ráp linh kiện thực tế và đóng gói bo mạch vào mô hình thử nghiệm.
• Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống, lưu đồ chương trình con xử lý kiểm tra cuộc gọi đến, lưu đồ đọc cảm biến rung và cảm biến góc.
• Trình bày phần mềm Arduino IDE và viết tài liệu hướng dẫn quy trình vận hành, thao tác hệ thống.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả đo kiểm thực nghiệm thu được:

• Kết quả hoạt động của cảm biến rung và cảm biến gia tốc hiển thị trực tiếp trên Serial Monitor.
• Kết quả gửi tin nhắn SMS cảnh báo rung lắc và tin nhắn chứa tọa độ GPS phản hồi khi có cuộc gọi đến.
• Đối chiếu vị trí thiết bị hiển thị trên bản đồ Google Maps với vị trí thực tế của điện thoại thông minh.
• Kết quả ngắt mạch động cơ xe và kích hoạt đèn xi-nhan, còi báo khi xe bị lật ngã.
• Thống kê các thông số kinh độ/vĩ độ của thiết bị đo được so với phần mềm Google Maps.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành gồm mạch phần cứng hoàn chỉnh, hệ thống phần mềm hoạt động ổn định tự động, định vị và cảnh báo chính xác. Đồng thời, tác giả đề xuất các hướng mở rộng nhằm nâng cao khả năng ứng dụng công nghiệp của thiết bị.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình phần cứng và lập trình hoàn thiện hệ thống giám sát, cảnh báo phương tiện vận tải với các kết quả cụ thể:

Hạng mục kiểm tra	Ngưỡng thiết lập / Dữ liệu thực nghiệm	Kết quả thực tế đạt được
Định vị GPS	Module SIM808 (22 kênh theo dõi, 66 kênh tiếp nhận, hỗ trợ A-GPS)	Sai số định vị tọa độ so với thực tế và phần mềm Google Maps đạt mức khoảng 10 mét.
Cảm biến rung	Trạng thái tĩnh: 1021 - 1023; Ngưỡng cảnh báo: < 900	Nhận diện chính xác rung lắc/va chạm và gửi tin nhắn cảnh báo tức thì về điện thoại theo dõi.
Cảm biến ngã xe (MPU-6050)	Ngưỡng tọa độ nhận biết xe ngã: trục X $\ge$ 10000	Tự động xuất tín hiệu ngắt động cơ, kích hoạt còi hú và bật nhấp nháy đèn xi-nhan để cảnh báo cứu hộ.
Truy vấn vị trí từ xa	Cuộc gọi đến từ số điện thoại người dùng	Hệ thống tự động từ chối cuộc gọi, lấy tọa độ GPS và gửi tin nhắn SMS chứa link Google Maps về điện thoại.

Giải pháp tác giả đề xuất là kết hợp giữa khả năng giám sát từ xa qua mạng viễn thông di động GSM/GPS và cơ chế bảo vệ an toàn chủ động tại chỗ (ngắt động cơ kết hợp chuông/đèn báo động khi xảy ra tai nạn ngã đổ).

Đóng góp của đề tài gồm việc xây dựng thành công một thiết bị giám sát hành trình có cấu trúc phần cứng gọn gàng, chi phí chế tạo vừa phải, vận hành tự động ngay khi cấp nguồn và có khả năng áp dụng cho ô tô cũng như các phương tiện vận tải đường bộ khác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo các giới hạn được tác giả ghi nhận trong văn bản:

• Thiết bị hoàn toàn không thể thực hiện chức năng gọi điện và gửi tin nhắn SMS cảnh báo về điện thoại quản lý khi phương tiện di chuyển vào khu vực ngoài vùng phủ sóng của mạng di động.
• Hệ thống định vị GPS vẫn còn sai số khoảng 10m chịu ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết, địa hình và độ trễ truyền dẫn tín hiệu vô tuyến.
• Tốc độ truyền nhận dữ liệu và thời gian phản hồi tin nhắn phụ thuộc vào chất lượng đường truyền của nhà mạng viễn thông.
• Sản phẩm mới được chế tạo và thử nghiệm dừng lại ở mức độ mô hình phần cứng thực nghiệm, chưa được đóng gói hoàn chỉnh theo tiêu chuẩn chống rung, chống nước để lắp đặt thực tế trên xe.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được đề xuất:

• Tối ưu hóa kích thước mạch in, thiết kế vỏ hộp bảo vệ đạt tiêu chuẩn công nghiệp nhằm nâng cao độ bền cơ học khi lắp đặt trên các phương tiện vận tải hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.
• Mở rộng thêm các cảm biến phụ trợ phục vụ hộp đen như cảm biến đo mức nhiên liệu, cảm biến đo nhiệt độ khoang động cơ hoặc tích hợp camera giám sát hình ảnh.
• Xây dựng ứng dụng chuyên dụng trên điện thoại thông minh (Android/iOS) hoặc máy chủ quản lý (Web Server) để lưu trữ lộ trình và theo dõi trực quan liên tục theo thời gian thực thay vì giao tiếp đơn lẻ qua tin nhắn SMS.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án cung cấp giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng:

• Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Tự động hóa và Kỹ thuật Máy tính: Tham khảo quy trình thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống nhúng IoT kết hợp giữa vi điều khiển Arduino với các module truyền thông vô tuyến GSM/GPS và cảm biến quán tính.
• Kỹ sư và người nghiên cứu thiết bị định vị/hộp đen ô tô: Tham khảo tài liệu kỹ thuật chi tiết về hệ thống tập lệnh AT Command trên module SIM808, cách thức giải mã bản tin NMEA 0183 và phương pháp tích hợp cảm biến MPU-6050 qua bus I2C.

Các phần có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án bao gồm:

• Bảng tổng hợp chi tiết các tập lệnh AT cài đặt cuộc gọi, tin nhắn SMS và các lệnh đặc biệt cho module SIM808 (Bảng 2.1 đến Bảng 2.5).
• Sơ đồ nguyên lý toàn mạch và thiết kế mạch in PCB 2 lớp trên phần mềm Altium Designer (Chương 3 và Chương 4).
• Thuật toán xử lý trích xuất tọa độ GPS và thuật toán phân loại ngưỡng rung lắc, nghiêng đổ để kích hoạt cảnh báo an toàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Khối xử lý trung tâm và module truyền thông chính trong đề tài sử dụng linh kiện gì? Khối xử lý trung tâm sử dụng board vi điều khiển Arduino Uno R3 (dựa trên vi điều khiển ATmega328P). Khối truyền thông và định vị sử dụng module SIM808 (do hãng mlab phát triển), tích hợp cả tính năng mạng di động GSM/GPRS và bộ thu định vị vệ tinh GPS có 22 kênh theo dõi, 66 kênh tiếp nhận và hỗ trợ công nghệ A-GPS.

2. Ngưỡng giá trị cảm biến được thiết lập trong chương trình để nhận diện va chạm và ngã xe là bao nhiêu? Đối với cảm biến rung, trạng thái ổn định không rung lắc có giá trị đọc về từ 1021 đến 1023; khi giá trị tụt xuống nhỏ hơn 900, hệ thống nhận diện xe đang bị rung lắc/va chạm. Đối với cảm biến gia tốc góc MPU-6050, ngưỡng tọa độ nhận biết xe bị ngã được xác định khi giá trị đọc theo trục X đạt từ 10000 trở lên.

3. Cơ chế hoạt động của thiết bị khi người dùng muốn truy vấn vị trí phương tiện qua điện thoại diễn ra như thế nào? Khi người dùng gọi điện đến số thuê bao trên module SIM808, Arduino nhận diện cuộc gọi đến, lập tức kích hoạt lệnh ATH để ngắt cuộc gọi (tránh phát sinh cước đàm thoại), trích xuất tọa độ kinh độ và vĩ độ từ dữ liệu GPS của SIM808, đóng gói thành liên kết Google Maps rồi sử dụng lệnh AT+CMGS để gửi tin nhắn SMS chứa tọa độ về điện thoại thông minh của người dùng.

4. Khi phát hiện xe bị ngã đổ hoặc tai nạn nghiêm trọng, hệ thống thực hiện các tác vụ xử lý an toàn nào tại chỗ? Khi giá trị cảm biến MPU-6050 theo trục X vượt ngưỡng 10000, vi điều khiển kích hoạt mạch điều khiển ngắt hoạt động của xe (tắt máy xe tự động), đồng thời phát còi hú cảnh báo và bật đèn xi-nhan nhấp nháy liên tục để báo hiệu cho người đi đường và những người xung quanh biết tình trạng sự cố để kịp thời hỗ trợ cứu nạn.

5. Căn cứ pháp lý nào tại Việt Nam được tác giả viện dẫn để khẳng định tính cấp thiết của đề tài? Tác giả viện dẫn Nghị định số 86/2014/NĐ-CP ngày 10/09/2014 của Chính phủ (thay thế Nghị định 91/2009/NĐ-CP và Nghị định 93/2012/NĐ-CP), quy định bắt buộc các phương tiện kinh doanh vận tải phải lắp đặt thiết bị giám sát hành trình đạt chuẩn Bộ Giao thông Vận tải, trong đó hạn chót áp dụng cho xe ô tô kinh doanh vận tải hàng hóa có trọng tải dưới 3,5 tấn là trước ngày 01/07/2018.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Giám sát và cảnh báo hoạt động phương tiện vận tải ô tô" của tác giả Đỗ Văn Hải đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm và kiểm thử mô hình giám sát hành trình dựa trên vi điều khiển Arduino Uno R3 kết hợp module SIM808 và các cảm biến MPU-6050, cảm biến rung. Hệ thống thực hiện chính xác các chức năng định vị GPS sai số khoảng 10m, tự động phản hồi tọa độ Google Maps qua tin nhắn SMS khi có cuộc gọi đến, đồng thời phát cảnh báo va chạm và tự động ngắt động cơ, bật chuông/đèn báo động khi phương tiện gặp sự cố lật ngã. Công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích về ứng dụng công nghệ IoT và truyền thông vô tuyến trong việc phát triển các thiết bị giám sát hành trình cho phương tiện giao thông đường bộ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trình bày các kiến thức về phầm mềm Arduino IDE, lý thuyết về Arduino UNO R3, lý thuyết về SIM808 được áp dụng trong đề tài. Chương 3: Tính Toán và Thiết Kế Trình bày sơ đồ khối của hệ thống, tính toán thiết kế cho từng khối. Chương 4: Thi Công Hệ Thống Thi công mạch theo thiết kế. Lập trình điều khiển cho vi xử lý chính.

Kiểm tra, chạy thử nghiệm và tinh chỉnh lỗi. Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Trình bày kết quả đã đạt được và đưa ra những bàn luận về sản phẩm. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Kết luận chung về đề tài và hướng phát triển của nó. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG GPS 2.1 Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Hệ thống định vị toàn cầu GPS (the global positioning system) hay còn gọi là NAVSTAR (Navigation Satellite Timing And Ranging) là hệ thống xác định tọa độ dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo.

Hệ thống GPS có thể xác định vị trí sai số từ vài trăm mét đến vài trăm centimet. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí bất kỳ trên trái đất nếu xác định được khoảng cách đến tối thiểu ba vệ tinh thì ta có thể tính được tọa độ của vị trí đó. 4 Hoàn cảnh ra đời: Năm 1978, nhằm thu thập các thông tin về tọa độ (vĩ độ và kinh độ), độ cao và tốc độ của các cuộc hành quân. Bộ quốc phòng Mỹ đã phóng lên quỹ đạo trái đất 24 vệ tinh.

Những vệ tinh trị giá nhiều tỷ USD này bay phía trên quỹ đạo trái đất ở độ cao 19.200 km, với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi các tín hiệu vô tuyến tần số thấp tới các thiết bị thu nhận.1: vệ tinh quay quanh trái đất1 Trong số 24 vệ tinh của bộ quốc phòng Mỹ nói trên, chỉ có 21 vệ tinh thực sự hoạt động, 3 vệ tinh còn lại là hệ thống hỗ trợ. Tín hiệu vô tuyến truyền đi thường không đủ mạnh để thâm nhập vào các tòa nhà kiên cố, các hầm ngầm hay tới các địa điểm dưới nước. Ngoài ra nó còn đòi hỏi tối thiểu 4 vệ tinh để đưa ra được thông tin chính xác về vị trí (bao gồm cả độ cao) và tốc độ của một vật. Vì hoạt động trên quỹ 1 Nguyễn Quốc Vương, “Nghiên cứu, chế tạo hộp đen ô tô”, Luận văn Thạc sĩ, Trường DHSPKT, Tp.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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 2 phận. Sau tai nạn này, nhu cầu định vị và dẫn đường cho các ứng dụng hàng không và dân dụng trở nên cấp thiết. Tổng thống Reagan đã ra lệnh cho quân đội Mỹ phải mở cửa một phần GPS cho các ứng dụng dân sự.

Người Mỹ để tránh gây nguy hiểm đến quyền lợi của Mỹ đã phát minh ra SA (dùng để tăng sai số) và bắt đầu đưa ứng dụng vào năm 1990. Vào tháng 5 năm 2000, kỹ thuật quân sự Mỹ đã tiến khá xa, lúc này tổng thống Clinton mới tự tin ra lệnh tắt SA. Sau đó, nhu cầu máy thu GPS cá nhân và dân dụng mới thực sự bùng nổ.2 Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm có 3 bộ phận chính cấu thành đó là phần người sử dụng (User Segment), phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (Space Segment).2: Các thành phần cấu tạo của hệ thống GPS1 1 Nguyễn Quốc Vương, “Nghiên cứu, chế tạo hộp đen ô tô”, Luận văn Thạc sĩ, Trường DHSPKT, Tp. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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.

Phần sử dụng1 Bộ phận người dùng là thiết bị thu tín hiệu GPS và người sử dụng những thiết bị này. Thiết bị thu tín hiệu GPS là một máy thu tín hiệu sóng vô tuyến đặc biệt. Nó được thiết kế để thu tín hiệu sóng vô tuyến được truyền từ các vệ tinh và tính toán vị trí dựa trên thông tin đó. Thiết bị thu tín hiệu GPS có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng và giá cả khác nhau.

1 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tính chất và giá cả của thiết bị thu tín hiệu GPS nói chung lệ thuộc vào chức năng mà bộ phận thu nhận có ý định. Bộ phận thu nhận dùng cho ngành hàng hải và hàng không thường sử dụng cho tính năng giao diện với thẻ nhớ chứa bản đồ đi biển. Bộ phận thu nhận dùng cho bản đồ khả năng chính xác rất cao và có giao diện người sử dụng cho phép ghi nhận dữ liệu nhanh chóng.4: Phần thiết bị sử dụng dẫn đường GPS.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng:1 - Phần cứng. - 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 các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu. Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, có thể xách tay, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác. 1 Phần mềm bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý số liệu cụ thể, chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi hữu ích. Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS.

Những chương trình BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT này được thiết kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành. Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS, có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác. 1 Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hóa hiệu ứng của anten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị. Phần điều khiển Phần điều khiển là để kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác.

Có 8 trạm kiểm soát rải rác trên mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi đặt ở Hawaii, Kwajalein, đảo Ascension, Diego Garcia, Colorado Springs, Colorado và Cape Canaveral, 1 trạm điều khiển trung tâm và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu. Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh. Sau đó tính toán các số liệu được gởi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gởi tiếp tới các vệ tinh.5: Trạm mặt đất được sử dụng từ 1984-2007.1 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT c.

Phần không gian Phần không gian gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất. Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26. Chúng chuyển động ổn định vá quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ. Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 3 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào.

Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575. Cả 2 sóng mang đều mang thông báo vệ tinh cần phát dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp(50Hz) để thông báo tới người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh. Các dữ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực. 1 Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng mặt trời.

Chúng có các nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng mặt trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.6: Các quỹ đạo của vệ tinh trong hệ thống GPS.3 Phương trình chuyển hướng Bộ thu sử dụng tín hiệu nhận được từ các vệ tinh để xác định các vị trí của vệ tinh và thời gian được truyền từ vệ tinh tới bộ thu. Trong đó, x, y, z là các thành phần vị trí vệ tinh và thời gian truyền từ vệ tinh tới bộ thu được chỉ định là [xi, yi, zi, ti], i = 1, 2, 3…., n là biểu thị cho số vệ tinh (n ≥ 3). 1 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khi thời gian nhận tín hiệu được chỉ định bởi đồng hồ trên mạch điện, kí hiệu là tr, thời gian nhận thực sự là: (tr + b), trong đó b là độ trễ đồng hồ của bộ thu.

Thời gian truyền tín hiệu là: (tr + b – ti). Giả sử tín hiệu được truyền đi với tốc độ ánh sáng (kí hiệu: c) thì quãng đường được truyền là: (tr + b – ti).c biết được khoảng cách từ bộ thu tới vệ tinh và vị trí của vệ tinh, điều đó có nghĩa là bộ thu nằm trên bề mặt của mặt cầu có tâm đặt tại vị trí của vệ tinh với bán kính bằng chính khoảng cách từ vệ tinh tới bộ thu. Vì vậy, bộ thu sẽ là giao điểm các mặt cầu nếu nó nhận tín hiệu từ nhiều vệ tinh. Trong trường hợp lý tưởng không có lỗi, bộ thu là giao điểm của các mặt cầu.

Bộ thu có bốn ẩn số, ba thành phần của vị trí máy thu GPS và độ trễ đồng hồ [x, y, z, b].