Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu và thiết kế hệ thống smartkey chống trộm

Tham khảo đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống smartkey chống trộm xe máy. Tích hợp định vị GPS, cảnh báo qua SIM. Full báo cáo và sơ đồ mạch.

• Tác giả: Phạm Hữu Vinh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hồng Liên
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử, Truyền Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Thiết Kế Hệ Thống Smartkey Cho Xe Máy
• Loại tài liệu: Graduation Project
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án thiết kế hệ thống Smartkey xe máy

Đồ án tốt nghiệp về thiết kế hệ thống smartkey xe máy là một giải pháp hiện đại để bảo vệ tài sản xe máy trong bối cảnh tệ nạn trộm cắp ngày càng gia tăng. Đây là một dự án nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông. Hệ thống smartkey kết hợp công nghệ khóa thông minh với các cảm biến hiện đại, thay thế hoàn toàn những ổ khóa truyền thống có độ an toàn kém. Mô hình này sử dụng board Arduino nano, các cảm biến rung WS-420, mạch thu RF, module GPS NEO 6M và module SIM800AC V2 để xây dựng một hệ thống quản lý khóa toàn diện. Đồ án này không chỉ giải quyết vấn đề bảo mật mà còn mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng xe máy hiện đại.

1.1. Lý do chọn đề tài

Vấn nạn trộm cắp xe máy ở Việt Nam ngày càng tinh vi và khó kiểm soát. Các phương pháp khóa truyền thống không đủ sức để ngăn chặn những kẻ xấu. Do đó, cần có một giải pháp bảo vệ tài sản tiên tiến hơn. Hệ thống smartkey xe máy ra đời nhằm cung cấp một lớp bảo mật tốt, kết hợp công nghệ GPS định vị và cảm biến rung phát hiện chuyển động để phát hiện hành vi trộm cắp một cách nhanh chóng và hiệu quả.

1.2. Mục tiêu và ý nghĩa đề tài

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế một hệ thống khóa thông minh hoàn chỉnh có khả năng phát hiện chuyển động trái phép và gửi cảnh báo tới chủ xe qua SMS. Hệ thống còn tích hợp chức năng định vị GPS để xác định vị trí xe máy khi bị mất. Ý nghĩa của đề tài nằm ở việc ứng dụng công nghệ 4.0 vào bảo vệ tài sản cá nhân, góp phần giảm thiểu tội phạm trộm cắp ở cộng đồng.

II. Cơ sở lý thuyết và các thành phần phần cứng

Hệ thống smartkey xe máy được xây dựng dựa trên các nguyên lý điện tử và viễn thông hiện đại. Vi điều khiển Arduino Nano đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm điều khiển toàn bộ hệ thống. Các thành phần chính bao gồm cảm biến rung WS-420 để phát hiện chuyển động, mạch thu phát RF (PT2262/PT2272) để giao tiếp không dây với chìa khóa từ xa, module GPS NEO-6M cung cấp thông tin định vị, và module SIM800AC V2 cho phép gửi tin nhắn SMS. Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng module LM2596 để hạ áp nguồn từ 12V xuống 5V, đồng thời tích hợp các thành phần như đèn LED, còi báo động để phát hiện trộm hiệu quả.

2.1. Vi điều khiển Arduino Nano và các cảm biến

Arduino Nano là một vi điều khiển mạnh mẽ với 30 chân GPIO, cung cấp đủ interface để kết nối các cảm biến và thiết bị ngoại vi. Cảm biến rung WS-420 được sử dụng để phát hiện chuyển động trái phép, kích hoạt cảnh báo khi có ai cố gắng di chuyển xe máy. Các cảm biến này kết nối trực tiếp với Arduino Nano thông qua giao tiếp digital, cho phép xử lý dữ liệu và đưa ra quyết định điều khiển ngay lập tức.

2.2. Module GPS SIM và mạch RF

Module GPS NEO-6M cung cấp định vị chính xác vị trí xe máy với độ sai số thấp. Module SIM800AC V2 cho phép hệ thống gửi tin nhắn SMS tới chủ xe để cảnh báo tình trạng. Mạch thu phát RF (PT2262/PT2272) tạo kết nối không dây với chìa khóa từ xa, cho phép người dùng khóa/mở khóa xe từ khoảng cách xa mà không cần chìa khóa vật lý truyền thống.

III. Thiết kế và tính toán hệ thống

Quá trình thiết kế hệ thống smartkey bắt đầu từ xây dựng sơ đồ khối hệ thống, định rõ mối quan hệ giữa các thành phần. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch được vẽ chi tiết với các kết nối giữa Arduino Nano, cảm biến rung, mạch thu RF, module GPS, module SIM, và các thành phần khác. Việc tính toán thiết kế mạch bao gồm xác định giá trị các linh kiện điện tử như điện trở, tụ điện, diode để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Module LM2596 được tính toán để cung cấp nguồn 5V ổn định cho vi điều khiển và các cảm biến. Các tính toán về giao tiếp UART giữa các module và Arduino Nano cũng được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo truyền dữ liệu không lỗi.

3.1. Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ khối hệ thống thể hiện cách các thành phần kết nối với nhau: vi điều khiển trung tâm nhận dữ liệu từ cảm biến rung, xử lý và gửi lệnh tới module RF, GPS, và SIM. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch chi tiết hơn, hiển thị từng chân GPIO của Arduino Nano kết nối với các linh kiện cụ thể, đảm bảo không có xung đột địa chỉ hay tín hiệu.

3.2. Tính toán và lựa chọn linh kiện

Quá trình tính toán thiết kế xác định từng thông số kỹ thuật của linh kiện. Module LM2596 được tính toán để hạ áp 12V thành 5V ổn định với dòng đủ cho toàn bộ hệ thống. Các giá trị điện trở và tụ điện được chọn dựa trên công thức mạch điện, đảm bảo độ ổn định và hiệu suất cao của hệ thống smartkey.

IV. Thi công lập trình và kết quả đạt được

Giai đoạn thi công hệ thống smartkey bao gồm in mạch PCB, hàn linh kiện lên mạch, lắp ráp các module vào vỏ mô hình từ Fomec. Dùng dung dịch muối ăn để khắc mạch, sau đó hàn các linh kiện điện tử lên mạch PCB. Phần mềm điều khiển được viết bằng Arduino IDE, sử dụng ngôn ngữ C/C++ để lập trình vi điều khiển. Hệ thống có ba chế độ hoạt động chính: (1) chế độ bình thường - khóa/mở khóa xe qua chìa khóa từ xa, (2) chế độ phát hiện trộm - khi cảm biến rung phát hiện chuyển động bất thường, hệ thống kích hoạt còi báo động và gửi SMS cảnh báo, (3) chế độ định vị - cho phép chủ xe xem vị trí xe máy trên bản đồ qua ứng dụng điện thoại. Kết quả thực hiện cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đạt được mục tiêu bảo vệ tài sản hiệu quả.

4.1. Quy trình thi công và lắp ráp

Quá trình thi công bắt đầu bằng in mạch lên phím đồng, sử dụng dung dịch muối ăn để khắc bỏ đồng ở những vị trí không cần. Sau đó hàn các linh kiện như Arduino Nano, cảm biến WS-420, mạch RF, module GPS, module SIM lên mạch PCB. Cuối cùng, toàn bộ mạch được lắp ráp vào mô hình Fomec mô phỏng gắn trên xe máy, tạo thành sản phẩm hoàn thiện.

4.2. Lập trình và ứng dụng mobile

Chương trình điều khiển được viết trên Arduino IDE với các lưu đồ thuật toán rõ ràng. Thuật toán tổng quát quản lý chu kỳ hoạt động của hệ thống, thuật toán phát hiện trộm xử lý dữ liệu từ cảm biến, thuật toán định vị truy xuất dữ liệu GPS. Ứng dụng mobile cho phép chủ xe theo dõi vị trí xe máy real-time trên bản đồ và nhận thông báo cảnh báo khi có dấu hiệu trộm cắp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1, chúng tôi đã đưa ra cái nhìn tổng quang về nền công nghiệp xe hai bánh trong nước nói chung và dòng xe mà chúng tôi sẽ hướng đến nói riêng cụ thể là dòng xe máy Honda. Cũng như đặt ra một mục tiêu rõ ràng cho hệ thống khóa thông minh cho xe máy, tìm cách thực hiện bám sát nội dung nghiên cứu, đồng thời là những hạn chế đề tài mà chúng gặp phải. Qua chương 2 chúng ta sẽ được tìm hiểu về cách hoạt động và cấu trúc cơ bản của môt hệ thống khóa thông minh. 6 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG KHÓA CỦA XE MÁY 2.

Giới thiệu Trong chương 2 này chúng tôi sẽ giới thiệu về hệ thống smartkey cơ bản trong xe máy cụ thể ở đây là của hãng Honda từ đó định hình được đề tài và lên ý tưởng phát triển cho sản phẩm đồng thời định ra phân khúc dòng xe máy mà chúng tôi muốn hướng tới cho người tiêu dùng. Smartkey là dòng khóa chống trộm thông minh được xuất hiện trên các dòng xe tay ga cao cấp của các hãng. Cho đến nay hầu hết hãng đã trang bị khóa lên nhiều phiên bản xe mới nhất và cả phân khúc xe tầm trung. Với mong muốn mang lại cho khách hàng sự an tâm và tiệc ích tối đa, nhiều hãng đã tiên phong trong việc nghiên cứu, phát triển các hệ thống an ninh thông minh, điều khiển bằng điện tử.

Như đã nói trong phần giới thiệu đề tài hiện nay Honda là một trong những hãng xe có thị phần lớn nhất nước ta nên chúng tôi quyết định phát triển sản phẩm hệ thống smartkey theo sản phẩm của Honda đồng thời và đánh vào thị phần xe máy phân khúc tầm trung của Honda, là những dòng xe hiện chưa có smartkey hoặc đã có smartkey nhưng chỉ với tính năng cơ bản như tìm xe, chống người có tình vặn bẻ khóa, v.Do hiện nay chỉ trên những dòng xe cao cấp của Honda như SH, SH mode, v. thì mới được trang bị tính năng chống dắt , hú còi xe khi có kẻ xấu lấy xe. Trong đề tài này chúng tôi muốn tạo ra một sản phẩm khóa thông có những chức năng như dòng xe cao cấp mà Honda có nhưng đáp ứng cho như cầu những dòng xe tầm trung, phổ thông. Đồng thời chúng tôi cũng bổ xem thêm nhiều tính mới như đã chúng tôi đã trình bày ở phần mục tiêu, với một mục đích tạo ra một sản phẩm vừa đầy đủ các tính năng vừa rẻ vừa an toàn cho người tiêu dùng.

Smartkey Honda không sử dụng chìa khoá cơ truyền thống mà thay vào đó là sử dụng cụm điểu khiển điện tử hay còn gọi là khoá núm Honda. Hệ thống này mang đến khả năng chống trộm ưu việt hơn cho chiếc xe. Việc kiểm soát khởi động, động cơ bằng mã hóa sẽ loại bỏ hoàn toàn nguy cơ khởi động, động cơ bằng đầu nối trực tiếp. Thay vì dùng chìa khóa, hệ thống khóa thông minh sẽ sử dụng thiết bị điều khiển FOB với thiết kế như chìa khóa ô tô, vì vậy sẽ phòng ngừa tối đa những can thiệp bằng ngoại lực vào lỗ khóa.

Ngoài ra, nhờ cơ cấu đặc biệt của núm khóa điện, nếu 7 không được kích hoạt bằng thiết bị điều khiển FOB, thì dù có cố tình vặn để bẻ khóa, cả ổ khóa sẽ chỉ xoay tròn. Cấu tạo Sau khi tham khảo trên trang chủ Honda Việt Nam [3] chúng tôi thấy cấu tạo của hệ thống khóa thông minh Honda bao gồm: • Thiết bị điều khiển FOB. • Cụm khóa thông minh. • Bộ điều khiển khóa thông minh.

• Bộ vi xử lý trung tâm. • Hệ thống đầu kết nối khẩn cấp.1: Cấu tạo hệ thống khóa thông minh trên xe Honda. Nguyên lý hoạt động Với sự hiểu biết của chúng tôi hệ thống khóa thông minh Honda hoạt động dựa trên bộ điều khiển dùng để quét tín hiệu của điều khiển (FOB), thiết bị điều khiển (hay còn gọi là remote FOB). Khi người lái ấn vào núm khóa điện, bộ xử lí trung tâm của Bộ điều khiển khóa thông minh sẽ được khởi động và dùng ăng-ten tích hợp bên trong bắt đầu lần lượt đối chiếu mã xác nhận với thiết bị điều khiển FOB.Khi quá trình đối chiếu mã xác nhận giữa thiết bị điều khiển FOB và bộ điều khiển khóa thông minh hoàn tất, người lái có thể xoay núm khóa để Tắt/Bật khóa điện, mở khóa cổ, khóa yên xe ngăn chặn bất kì hành vi xâm nhập, bẻ khóa trái phép nào.

Lợi ích của hệ thống khóa thông minh so với khóa thông thường 2.1 Khả năng chống trộm ưu việt So với khóa thông thường thì khóa thông minh có những tính năng như:  Phòng ngừa tối đa những can thiệp bằng ngoại lực vào lỗ khóa. Ngoài ra, nhờ cơ cấu đặc biệt của núm khóa điện, nếu không được kích hoạt bằng thiết bị điều khiển FOB, thì dù có cố tình vặn để bẻ khóa thì cả ổ khóa sẽ chỉ xoay tròn.  Triệt tiêu nguy cơ quên chìa khóa tại ổ khóa.  Kiểm soát khởi động của động cơ bằng mã hóa: Loại bỏ hoàn toàn nguy cơ khởi động động cơ bằng đấu nối trực tiếp.

 Có tích hợp chức năng báo động khi xe bị di chuyển (không cần khởi động động cơ) 2.2 Tính tiện lợi  Người lái không cần phải tra/rút chìa vào ổ khóa mà vẫn thực hiện được toàn bộ các thao tác như Đóng/Mở khóa cổ, Bật/Tắt khóa điện mở yên xe.  Tích hợp tính năng xác định vị trí xe.  Nhỏ, gọn dễ mang theo hơn so với chìa khóa truyền thống.3 Hình ảnh hiện đại Tạm biệt với những loại chìa khóa truyền thống để chuyển thiết bị điều khiển FOB với thiết kế sang trọng đầy tính thẩm mỹ. Bao quanh ổ khóa điện là dải đèn LED màu xanh vừa có tác dụng soi sáng vừa nâng cao tính thẩm mỹ, ấn tượng cao cấp.

Trong phần tiếp theo chúng tôi sẽ giới những phần cứng cần thiết cho hệ thống smartkey cho xe máy.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2. Arduino Nano Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà chúng tôi thường nghĩ tới chính là dòng Arduino NANO. Với thiết kế nhỏ gọn, ứng dụng cao, hoạt động ổn đinh, Arduino Nano chính là lựa chọn hàng đầu khi sử dụng Arduino. Và sau đây là một vài thông số của Arduino Nano mà chúng tôi tham khảo trên trang chủ Arduino Việt Nam [4], bao gồm thông tin về Vi điều khiển, Điện áp hoạt động, Tần số hoạt động, Dòng tiêu thụ, Điện áp vào khuyên dùng, Điện áp vào khuyên dùng, Điện áp vào giới hạn, Số chân Digital I/O, Số chân Analog, Dòng tối đa trên mỗi chân I/O, Dòng ra tối đa (5V), Dòng ra tối đa (3.3V), Bộ nhớ flash, SRAM, EEPROM.1: Thông số của Arduino Nano [4]: Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi Bộ nhớ flash bootloader SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) 11 2.1 Vi điều khiển Như chúng ta biết Arduino Nano sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR [4] là ATmega328.

Bộ não này có thể xử lí những tác vụ từ đơn giản đến phức tạp. Nguồn Arduino Nano có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu không có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, sẽ làm hỏng Arduino Nano.2 Các cổng ra vào.

Và dưới đây là các chân của Arduino Nano [4] gồm có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối).3: Các cổng vào ra trên Arduino Nano. Một số chân digital có các chức năng đặc biệt mà chúng tôi muốn nêu ra như sau: • 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial.

Arduino Nano có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không 12 dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết. Nói một cách đơn giản, có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.

• Chân giao tiếp SPI: 10, 11, 12, 13. Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác. • LED 13: trên Arduino Nano có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút Reset, sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu.

Và được nối với chân số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng. Arduino Nano có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board, có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog.

Đặc biệt, Arduino Nano có 2 chân A4 và A5 hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác. Cảm biến rung WS-420 Tiếp thep chúng tôi sẽ dùng module cảm biến rung sử dụng bộ cảm biến SW- 420 cùng IC LM393 nhằm phát hiện các rung động trong một ngưỡng xác định (ngưỡng này có thể thay đổi bằng biến trở trên module). Với thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng, module rất thích hợp với những dự án như: thiết bị nhận biết rung động, thiết bị chống trộm, cảnh báo động đất, xe thông minh, … Hình 2.4 : Cảm biến rung WS-420. 13 Với CácThông số kỹ thuật [5]: • Điện áp hoạt động: 3.3V-5V • Tín hiệu ngõ ra: Digital • Trạng thái ngõ ra mặc định: LOW • Dòng tiêu thụ: 15mA • Kích thướt board 32x14mm • Khi không có rung động, ngõ ra (DO) xuất ra tín hiệu mức thấp đồng thời LED tín hiệu ngõ ra sáng Bảng 2.2: Bảng sơ đồ chân: Pin Chức năng Mô tả VCC Cấp nguồn Cấp điện áp (+) từ 3.