Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo thiết bị giao tiếp thông tin hỗ trợ thi xe Eco

Tài liệu đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống giao tiếp thông tin cho xe Eco, truyền dữ liệu động cơ theo thời gian thực đến ứng dụng di động.

• Tác giả: Lê Bình An
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Trọng Thức
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Thiết Bị Giao Tiếp Thông Tin Hỗ Trợ Thi Xe Eco
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Thiết bị Giao tiếp Không dây cho Xe Eco

Thiết bị giao tiếp không dây là một hệ thống thông tin hiện đại được thiết kế để hỗ trợ thi đấu xe Eco Marathon. Đồ án này tạo ra một platform truyền thông toàn diện giữa lái xe, đội trưởng và các thành viên khác trong quá trình thi đấu. Hệ thống được phát triển bởi sinh viên từ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Trọng Thức. Công nghệ giao tiếp không dây cho phép truyền dữ liệu động cơ với tầm xa lên đến 1km trong điều kiện tối ưu nhất. Ứng dụng này không chỉ giúp theo dõi thông tin thực tế mà còn lưu trữ dữ liệu chi tiết cho mỗi vòng chạy, hỗ trợ phân tích hiệu suất xe một cách chính xác.

1.1. Mục tiêu và Ý nghĩa Thực hiện

Mục tiêu chính của đồ án thiết bị giao tiếp là xây dựng một hệ thống truyền thông hiệu quả cho các cuộc thi xe Eco. Ý nghĩa thực hiện bao gồm cải thiện khả năng giám sát hiệu suất xe, tối ưu hóa chiến lược thi đấu, và nâng cao tính an toàn cho lái xe. Hệ thống này cho phép theo dõi dữ liệu động cơ và các thông số quan trọng khác một cách thực tế, giúp đội đua đưa ra các quyết định chiến thuật chính xác và kịp thời.

1.2. Phạm vi và Giới hạn của Đề tài

Phạm vi đồ án bao gồm thiết kế ba ứng dụng di động để hiển thị thông tin cho tài xế, đội trưởng và các thành viên. Giới hạn của đề tài là tầm truyền dữ liệu không dây khoảng 1km với điều kiện môi trường tối ưu. Hệ thống cũng tập trung vào việc lưu trữ dữ liệu các vòng chạy để phục vụ phân tích hiệu suất, nhưng chưa bao gồm các tính năng điều khiển động cơ từ xa.

II. Cơ sở Kỹ thuật và Giao thức Truyền thông

Giao thức Zigbee được lựa chọn làm nền tảng cho hệ thống giao tiếp không dây của xe Eco. Zigbee là một chuẩn truyền thông không dây dựa trên IEEE 802.15.4, đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tiêu thụ năng lượng thấp và khoảng cách truyền tải vừa phải. Hệ thống sử dụng module RF Zigbee UART DRF 1609H để truyền nhận dữ liệu từ bộ điều khiển điện tử ECU trên xe. Kiến trúc mạng Zigbee hỗ trợ ba mô hình: mạng hình sao (Star Network), mạng hình lưới (Mesh Network), và mạng hình cây (Cluster Tree Topology). Cơ chế này cho phép dữ liệu từ động cơ được truyền đến các thiết bị nhận với độ tin cậy cao.

2.1. Hệ thống PGM FI và Cảm biến động cơ

Hệ thống phun xăng điện tử PGM-FI trên xe Honda được sử dụng để cung cấp dữ liệu động cơ cho thiết bị giao tiếp. Hệ thống này bao gồm các cảm biến quan trọng như cảm biến tốc độ động cơ (RPM), cảm biến nhiệt độ nước mát, và cảm biến áp suất khí gây nạp. Các cảm biến này gửi tín hiệu đến bộ điều khiển ECU, nơi xử lý dữ liệu và chuyển tiếp đến module Zigbee để truyền không dây.

2.2. Kiến trúc Mạng Zigbee và Truyền dữ liệu

Kiến trúc mạng Zigbee cho thiết bị giao tiếp xe Eco bao gồm một nút điều phối trung tâm (Coordinator) và các nút cuối (End Devices). Dữ liệu từ xe được truyền qua tầng vật lý và tầng mạng của Zigbee, đảm bảo độ tin cậy cao. Tầng ứng dụng xử lý dữ liệu và gửi đến các ứng dụng di động thông qua kết nối Bluetooth HC-06.

III. Phát triển Ứng dụng Di động với App Inventor

App Inventor 2 là nền tảng được lựa chọn để phát triển ba ứng dụng di động cho hệ thống giao tiếp xe Eco. Đây là một công cụ mã nguồn mở cho phép thiết kế giao diện trực quan và lập trình logic ứng dụng một cách dễ dàng. Ứng dụng thứ nhất dành cho tài xế hiển thị các thông số động cơ quan trọng như tốc độ quay, nhiệt độ nước mát, và tiêu thụ nhiên liệu. Ứng dụng thứ hai được thiết kế cho đội trưởng để quản lý tổng thể cuộc thi, theo dõi hiệu suất các vòng chạy. Ứng dụng thứ ba phục vụ cho các thành viên khác trong đội để cập nhật thông tin thi đấu. Mỗi ứng dụng được tối ưu hóa để hoạt động trên các thiết bị Android khác nhau với giao diện thân thiện người dùng.

3.1. Kết nối Bluetooth HC 06 và Nhận dữ liệu

Mô-đun Bluetooth HC-06 đóng vai trò cầu nối giữa module Zigbee và ứng dụng di động. Module này cho phép kết nối không dây với thiết bị Android thông qua chuẩn Bluetooth cổ điển. Quá trình kết nối bắt đầu bằng việc các ứng dụng di động quét và khôi phục danh sách thiết bị Bluetooth khả dụng, sau đó thiết lập kết nối an toàn với HC-06. Dữ liệu nhận được được tách thành các thành phần để hiển thị trên giao diện người dùng.

3.2. Xử lý dữ liệu và Lưu trữ thông tin vòng chạy

Mỗi ứng dụng di động có khả năng xử lý dữ liệu thực tế nhận từ xe và hiển thị một cách trực quan. Hệ thống lưu trữ dữ liệu chi tiết của mỗi vòng chạy bao gồm thời gian, tốc độ trung bình, và tiêu thụ nhiên liệu. Dữ liệu được lưu vào bộ nhớ điện thoại hoặc đám mây để phục vụ phân tích hiệu suất sau khi cuộc thi kết thúc.

IV. Thiết kế Mạch điện và Thi công Hệ thống

Thiết kế mạch điện cho hệ thống giao tiếp xe Eco bao gồm hai khối chính: khối phát dữ liệu trên xe và khối nhận dữ liệu. Khối phát dữ liệu được lắp đặt trên xe, kết nối với ECU động cơ để thu thập dữ liệu thực tế. Mạch nguồn cung cấp điện ổn định cho module Zigbee DRF 1609H và các linh kiện khác. Khối nhận dữ liệu bao gồm module HC-06 để giao tiếp với các ứng dụng di động. Sơ đồ khối phát dữ liệu cho thấy dữ liệu từ ECU được xử lý qua module Zigbee trước khi truyền đi. Lưu đồ thuật toán thiết kế chi tiết logic hoạt động của cả hai khối. Quá trình thi công bao gồm lắp ráp các linh kiện điện tử, kiểm tra kết nối, và thử nghiệm hệ thống trên xe thực tế với các vòng chạy thử.

4.1. Khối phát dữ liệu và Xử lý tín hiệu từ ECU

Khối phát dữ liệu của xe kết nối trực tiếp với bộ điều khiển ECU để nhận các tín hiệu cảm biến. Tín hiệu được chuyển đổi và xử lý qua mạch điều khiển microcontroller trước khi gửi đến module Zigbee. Lưu đồ khối phát dữ liệu cho thấy quá trình lấy mẫu tín hiệu, xử lý dữ liệu, và truyền tải. Mạch được đặt trong một hộp bảo vệ chống nước để đảm bảo độ bền trên xe.

4.2. Khối nhận dữ liệu và Hiển thị trên Điện thoại

Khối nhận dữ liệu tại vị trí người lái hoặc đội trưởng bao gồm module HC-06 kết nối với điện thoại qua Bluetooth. Dữ liệu nhận được được tách thành các trường và hiển thị trên giao diện ứng dụng di động. Lưu đồ khối nhận dữ liệu mô tả quá trình nhận, xác thực, và hiển thị thông tin. Hệ thống cho phép lưu trữ dữ liệu theo thời gian thực cho phục vụ phân tích hiệu suất sau cuộc thi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Là sinh viên của trường đã từng tham gia cuô ̣c thi cuô ̣c thi lái xe sinh thái, tiế t kiê ̣m nhiên liê ̣u của Honda và cuô ̣c thi Shell Eco-marathon thì nhóm em đã thấ y đươ ̣c những mă ̣t ha ̣n chế về viê ̣c liên la ̣c giữa lái xe, đô ̣i trưởng và các thành viên trong đô ̣i. Khó khăn trong viê ̣c bấ m tổ ng thời gian thi đấ u và thời gian cha ̣y của từng vòng. Mă ̣t khác, viê ̣c truyề n thông số của đô ̣ng cơ từ lái xe ra cho đô ̣i trưởng là không thể. Vì lý do đó nhóm chúng em đã quyế t đinh ̣ cho ̣n đề tài “thiế t kế , chế ta ̣o thiế t bi ̣giao tiế p thông tin hỗ trơ ̣ thi xe ECO” để làm đề tài tố t nghiê ̣p với mong muố n ta ̣o ra mô ̣t hê ̣ thố ng truyề n thông và quản lý thông tin, thông số đô ̣ng cơ mô ̣t cách chă ̣t chẽ để đô ̣i trưởng và các thành viên có thể nắ m rõ tiǹ h tra ̣ng hoa ̣t đô ̣ng của đô ̣ng cơ và liên la ̣c dễ dàng với lái xe để có mô ̣t chiế n thuâ ̣t thi đấ u tố t nhấ t và tiế t kiê ̣m nhiên liê ̣u nhấ t.

Đồ ng thời lưu la ̣i thời gian từng vòng cha ̣y vào các thông số như vâ ̣n tố c lớn nhấ t của từng vòng. Để các thành viên đứng bên ngoài có thể canh thời gian thi đấ u theo đúng quy đinh ̣ không bi ̣quá giờ của ban tổ chức đưa ra. Smart Phone hay còn gọi là điện thoại thông minh, hiện nay nó dường như là vật không thể thiếu và không thể tách rời với mọi lĩnh vực hoạt động trong đời sống xã hội. Với chiếc điện thoại thông minh, con người có thể kết nối nó với nhiều thứ xung quanh bởi sự tiện nghi của nó.

Sự tiê ̣n lơ ̣i của chiếc điện thoại thông minh sẽ giúp kết nối người lái xe, đồng đội và chiếc xe đang thi đấu, nó hiển thị những thông số cần thiết lên điện thoại một cách rõ ràng, sinh đô ̣ng và chính xác nhất. Từ đó người lái xe có thể đưa ra những điều chỉnh về số lầ n nổ máy và thời gian nổ máy sao cho hợp lý để đa ̣t đươ ̣c mức tiêu hao nhiên liê ̣u thấ p nhấ t.Lý do chọn đề tài Cuô ̣c thi Shell Eco-marathon là một niềm đam mê của tấ t cả sinh viên công nghê ̣ kỹ thuâ ̣t ngành ô tô trên nhiều nước, chiến thắng là mục tiêu đội nào cũng mong muốn. Để chiến thắng thì cần có sự phố i hơ ̣p, tin ́ h toán chiế n thuâ ̣t trước từng vòng cha ̣y và biết được những thông số cầ n thiế t của đô ̣ng cơ mô ̣t cách chính xác và kiê ̣p thời. Vậy làm sao để người chạy có thể thấy những thông số ấy một cách dễ dàng, chính xác là rất cần thiết.

Bên ca ̣nh đó đô ̣i trưởng và các thành viên khác cũng phải biế t đươ ̣c tình tra ̣ng hoa ̣t đô ̣ng của đô ̣ng cơ để điề u chin̉ h chiế n thuâ ̣t cha ̣y mô ̣t cách hơ ̣p lý. 1 Với những vấn đề trên thì đề tài tốt nghiệp của nhóm em sẽ giúp giải quyết được. Đề tài này giúp các đô ̣i thi cuô ̣c thi Shell Eco-marathon theo dõi được những thông số cần thiết của chiếc xe dùng để thi đấu một cách chính xác và sinh động nhất.Mục tiêu đề tài. Mục tiêu của đề tài này là thiết kế ra thiết bị giao tiếp giữa con người và xe.

Mọi thông số đo được, tính toán được sẽ được hiển thị lên điện thoại sử dụng hệ điều hành Android nhờ lập trình App Inventor2. Từ các thông tin trên người dùng sẽ điều chỉnh các thông số cho hợp lý để đạt được thành tích mong muốn.Phương pháp nghiên cứu. Để đề tài hoàn thành nhóm đã sử dụng rất nhiều phương pháp để nghiên cứu, thông qua sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Trọng Thức và tìm kiếm tài liệu trên mạng, trên các diễn đàn, tìm đọc tài liệu… Từ đó, có cơ sở để tìm ra những ý tưởng mới để hoàn thành đề tài một cách tốt nhất.Ý nghĩa thực hiện. Đề tài đã giúp giải quyết được vấn đề theo dõi những thông số cần thiết, cụ thể là theo dõi được những thông số cần thiết của động cơ, thời gian thi đấu, thời gian từng vòng chạy.

Từ đó người thi đấu dễ theo dõi, đưa ra chiến thuật tốt cho quá trình thi đấu của toàn đội.Giới hạn đề tài. 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu về Shell Eco Marathon 2017 và luật chơi “ Shell Eco-Marathon là môt sân chơi cho sinh viên trên toàn thế giới để xây dựng, thiết kế và lái xe tiết kiệm năng lượng nhất. Sự kiện này được diễn ra hàng năm tại ba khu vực Châu Á, Châu Mỹ và Châu Âu. Các đội có nhiệm vụ làm sao để xe đi xa hơn nhưng ít nhiên liệu nhất.

Sự dẫn động trong tương lai của xe Các kỹ sư tương lai sẽ có một năm để chuẩn bị cho một cuộc chiến chính thức một vài ngày trên những cung đường đô thị với với chiếc xe tiết kiệm năng lượng nhất của mình. Địa điểm Trong năm 2017, sự kiện Shell Eco-marathon chính diễn ra tại ba địa điểm trên toàn thế giới: Shell Eco-marathon Châu Á: 16-ngày 19 Tháng Ba tại Singapore, SG. Shell Eco-marathon châu Mỹ: 27-ngày 29 Tháng Tư tại Detroit, Michigan, Mỹ. Shell Eco-marathon Châu Âu: Tháng 25-28, London, Vương quốc Anh.

Làm thế nào để nó hoạt động? Được chia theo loại xe và loại năng lượng. Loại xe Prototype ( ba bánh) tập trung chủ yếu vào việc tiết kiệm năng lượng nhất, trong khi đó sự thoải mái hành khách bị mất đi. Nhưng với loại xe UrbanConcept khuyến khích những thiết kế thực tế hơn. Với những loại xe thiết kế theo loại năng lượng bao gồm nhiên liệu cho động cơ đốt trong: Xăng, dầu Diesel, nhiên liệu hóa lỏng từ khí tự nhiên và ethanol Trong các loại xe điện, xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro và pin lithium-based Cuộc thi về quãng đường Trong những ngày cuộc thi chính thức diễn ra, các đội nổ lực thực hiện các vòng đua nhiều nhất có thể để đưa xe đi xa nhất với lượng nhiên liệu ít nhất Các xe sẽ được lái với số vòng đua cố định và tốc độ giới hạn được quy định bỡi ban tổ chức.

Ban tổ chức cũng có các tính cho người chiến thắng ở mỗi hạng mục đối với từng loại xe từng loại nhiên liệu Những hạng mục giải thưởng khác như thành tích cho xe có độ an toàn cao nhất, giải thưởng làm việc nhóm và giải thiết kế. 3 Cuộc thi truyền cảm hứng cho các kỹ sư trẻ tương lai để biến tầm nhìn của họ về tính di động bền vững thành hiện thực, dù chỉ trong một vài ngày. Nó cũng là những nổ lực chói sáng về tất cả những gì đã diễn ra trong cuộc thi để một ngày nào đó có thể chạy những chiếc xe này trên đường. Một chút về lịch sử cuộc thi Trở về ngày cuộc thi năm 1939 khi mà những nhân viên của công ty dầu khí Shell tại Mỹ đã tạo nên một cuộc cá cược vui xem ai có thể đi xa hơn với cùng lượng nhiên liệu với chiếc xe của mình.

Sau đó nó được mở rộng đến nhiều hơn hai châu lục, bao gồm nhiều loại năng lượng hơn và sự tranh luận sôi nổi về xung quanh tương lai của nguồn năng lượng và xe” 2.Kích thước Bảng 2.1: Các thông số cho phép Thông số Kí hiệu Giới hạn Chiều cao giới hạn trên Ht < 100cm Chiều rộng giới hạn trên Bt < 130cm Chiều dài giới hạn trên Lt < 350cm Chiều rộng giới hạn dưới Bd >50cm Chiều dài giới hạn dưới Ld >100cm Tỉ lệ chiều cao và rộng h/b <1.25 Trọng lượng tài xế Wt >50kg Trọng lượng xe Wx < 140kg 4 Hình 2.1: Kích thước giới hạn của xe Vỏ xe • Vỏ tháo lắp dễ dàng cho việc kiểm tra, độ cứng phù hợp • Tất cả các bộ phận phải nằm trong vỏ • Bố trí các chi tiết như ắc quy, hệ thống nhiên liệu, động cơ … 1 cách an toàn và gọn gàn chắc chắn • Bánh xe không được chạm các bộ phận khác của xe • Sàn xe phải liền 1 khối không chắp nối • Vỏ xe cũng liền 1 khối dễ tháo lắp và không dùng cửa 5 Hình 2.2: Bố trí các bộ phận trên xe 2.Khung Sườn • Chọn vật liệu có độ cứng vững cao • Nhẹ là yếu tố ưu tiên • Bao bọc toàn bộ xe để bảo vệ tài xế • Không để nhô ra các cạnh nhọn và bén kể cả trong và ngoài xe • Thanh rollbar: o Cao hơn mũ 5cm o Cao hơn bình xăng 5cm o Rộng hơn vai tài xế o Chịu được 70kg 6 Hình 2.3: Điều kiện thiết kế khung sườn 2.Bán kính quay vòng • Bán kính quay vòng < 8m • Chỉ đặt lái ở bánh trước • Tầm nhìn tài xế 1800 Hình 2.4: Bán kính quay vòng 7 Hình 2.5: Tầm nhìn tài xế Hình 2.6: Đặt lái bánh trước 2.Hệ thống khí xả Nên đưa dòng khí xả thoát ra khỏi thân xe, nhưng không đưa ra quá xa khí thải phải hợp lý không xả khói đen Hình 2.7: Tiêu chuẩn khí thải và bố trí ống xả 8 2.Lối thoát • Tài xế có khả năng thoát khỏi xe trong 10 giây • Không dùng bang keo băng dính để kết nối phần khung sườn và vỏ, • Tuy nhiên phải có có cấu đơn giản nhưng vẫn chắc chắn dễ thoát lắp mà không cần đến dụng cụ chuyên dùng • Chân để phía trước Hình 2.8: Bố trí cơ cấu gài vỏ và lối thoát 2.Thông gió • Thông gió phù hợp để giải toả nhiệt độ động cơ làm mát khoang xe do điều kiện nóng ẩm ở đông nam á 9 Hình 2.9: Bố trí các lỗ thông gió trên xe 2.Vách ngăn động cơ • Vách ngăn cố định tách được khoang động cơ và khoang tài • Được làm bằng vật liệu chống cháy • Ngăn chặn những can thiệp vào khoang động cơ khi xe chuyển động • Ngăn chặn sức nóng, khói xe cũng như những rủi ro từ khoang động cơ để bảo vệ tài xế Hình 2.10: Bố trí vách ngăn 2.Hệ thống phanh • Hệ thống phanh độc lập 10 • Độ dốc 20% (20:100) Hình 2.11: Thử phanh với độ dốc 20% 2.2 Nguyên lý làm việc động cơ xăng bốn kỳ Khi động cơ làm việc (hình 2.