Đồ án tốt nghiệp: Hệ thống điều khiển xe thu gom rác thải từ xa bằng smartphone

Tham khảo đồ án tốt nghiệp điều khiển xe thu gom rác bằng smartphone. Ứng dụng Raspberry Pi, Arduino xây dựng mô hình hệ thống thu gom thông minh.

• Tác giả: Phạm Trí Nhân
• Người hướng dẫn: ThS. 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, Truyền Thông
• Đề tài: Điều Khiển Xe Thu Gom Rác Thải Từ Xa Bằng Smartphone
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án xe thu gom rác điều khiển từ xa bằng smartphone

Đồ án xe thu gom rác điều khiển từ xa bằng smartphone là một sáng tạo công nghệ nhằm giải quyết bài toán tự động hóa trong lĩnh vực vệ sinh công cộng. Trong bối cảnh cách mạng công nghiệp 4.0, nhu cầu về các giải pháp thông minh để giảm sức lao động con người ngày càng tăng cao. Xe thu gom rác thông minh kết hợp công nghệ vi điều khiển, truyền thông không dây và ứng dụng di động để tạo ra một hệ thống tự động hóa hiệu quả. Đề tài này được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Truyền thông. Mục đích chính là tìm hiểu sâu hơn về vi xử lý, công nghệ Wifi và ứng dụng smartphone trong điều khiển thiết bị từ xa.

1.1. Ý nghĩa và tính cấp thiết của đề tài

Xe thu gom rác từ xa giải quyết các vấn đề về sức khỏe lao động và hiệu suất trong công tác vệ sinh đô thị. Công nhân vệ sinh phải tiếp xúc trực tiếp với rác thải gây hại sức khỏe, vì vậy automation trong thu gom rác là nhu cầu cấp thiết. Công nghệ này cho phép điều khiển xe tự động từ xa, giảm thiểu nguy hiểm và nâng cao chất lượng cuộc sống. Ứng dụng smartphone điều khiển làm cho hệ thống trở nên tiện dụng, dễ sử dụng.

1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu của đồ án xe thu gom rác bao gồm thiết kế hệ thống điều khiển toàn diện với ba chế độ: điều khiển bằng giọng nói, điều khiển bằng tay trên smartphone và định vị GPS thời gian thực. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các công nghệ Raspberry Pi, Arduino, module Wifi, GPS module và ngôn ngữ lập trình Python. Hệ thống được thiết kế để điều khiển động cơ DC, servo motor thông qua smartphone kết nối với Wifi module.

II. Cơ sở lý thuyết và các công nghệ chính

Đồ án này sử dụng nhiều công nghệ hiện đại để xây dựng hệ thống điều khiển xe thu gom rác thông minh. Raspberry Pi đóng vai trò là bộ vi xử lý chính với khả năng xử lý mạnh mẽ và hỗ trợ hệ điều hành Linux. Arduino Uno R3 được sử dụng như bộ điều khiển phụ để điều khiển các cảm biến và thiết bị ngoại vi. Ngôn ngữ Python được chọn để lập trình logic điều khiển vì tính đơn giản và linh hoạt. Module GPS cung cấp khả năng định vị địa lý chính xác, cho phép theo dõi vị trí xe thu gom rác realtime. Công nghệ Wifi thiết lập kết nối không dây giữa smartphone và hệ thống xe, tạo nên mạng lưới IoT cho điều khiển từ xa hiệu quả.

2.1. Công nghệ Raspberry Pi và Arduino

Raspberry Pi là máy tính nhỏ gọn được sử dụng làm bộ xử lý chính với tốc độ cao, hỗ trợ GPIO pins để kết nối ngoại vi. Arduino Uno R3 hoạt động như bộ điều khiển phụ chuyên biệt cho nhận dạng giọng nói và xử lý các cảm biến. Hai thiết bị này kết nối với nhau qua giao tiếp UART để trao đổi dữ liệu. Hệ điều hành Linux trên Raspberry Pi cho phép chạy multiple processes cùng lúc, tối ưu hóa điều khiển đa nhiệm của xe thu gom rác.

2.2. Module GPS và nhận dạng giọng nói

Module GPS cung cấp định vị toàn cầu chính xác với độ chính xác ±5-10 mét, cho phép theo dõi vị trí xe realtime trên smartphone. Tín hiệu GPS được nhận từ vệ tinh và xử lý để cung cấp tọa độ latitude, longitude. Nhận dạng giọng nói sử dụng thư viện Python để chuyển lệnh thoại thành lệnh điều khiển, giúp người dùng điều khiển xe mà không cần dùng tay, tăng tính an toàn và tiện lợi.

III. Thiết kế hệ thống phần cứng và phần mềm

Thiết kế hệ thống xe thu gom rác bao gồm hai phần chính: phần cứng và phần mềm. Sơ đồ khối hệ thống cho thấy Raspberry Pi là tâm điều khiển chính, kết nối với Arduino, module Wifi, module GPS và các driver động cơ L298N. Phần cứng gồm động cơ DC để chuyển động, servo motor để điều khiển tay gắp rác, module Wifi để truyền thông, và GPS module để định vị. Phần mềm được viết bằng Python, xử lý giao tiếp Wifi, nhận dạng giọng nói, điều khiển GPIO pins và gửi dữ liệu GPS về smartphone. Ứng dụng di động cho phép người dùng điều khiển xe qua giao diện trực quan với nút bấm, slider điều khiển tốc độ.

3.1. Thiết kế sơ đồ khối và kết nối phần cứng

Sơ đồ khối hệ thống thể hiện Raspberry Pi kết nối trực tiếp với Arduino, module Wifi, và L298N motor driver. Module GPS được kết nối với UART port để gửi dữ liệu định vị sang Raspberry Pi. Servo motor được kết nối PWM pin trên Raspberry Pi để điều khiển góc quay. Động cơ DC được điều khiển thông qua L298N driver nhận tín hiệu từ GPIO pins. Toàn bộ hệ thống được cấp điện 12V từ pin động lực, đảm bảo hoạt động ổn định.

3.2. Lập trình điều khiển và ứng dụng di động

Chương trình Python chạy trên Raspberry Pi thực hiện nhận kết nối Wifi từ smartphone, xử lý lệnh điều khiển và gửi tín hiệu GPIO đến các thiết bị ngoại vi. Thư viện nhận dạng giọng nói chuyển âm thanh thành lệnh text, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu điều khiển. Ứng dụng smartphone được phát triển với giao diện người dùng cho phép nhập lệnh thoại, điều khiển bằng nút bấm và xem bản đồ định vị GPS realtime.

IV. Kết quả thực hiện và hướng phát triển tương lai

Đồ án xe thu gom rác điều khiển từ xa bằng smartphone đã thành công trong việc tích hợp nhiều công nghệ thành một hệ thống hoàn chỉnh. Phần cứng hoạt động ổn định với xe có thể chuyển động, tay gắp rác hoạt động chính xác qua điều khiển Wifi. Phần mềm thực hiện thành công ba chế độ điều khiển: thoại, tay, và hiển thị GPS. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng phát triển như tăng cấp độ chính xác GPS, **thêm cảm biến phát hiện rác, **nâng cao bảo mật kết nối Wifi, và **mở rộng phạm vi hoạt động. Ứng dụng blockchain cho quản lý dữ liệu hoặc AI cho tối ưu hóa lộ trình cũng là các hướng phát triển tiềm năng trong tương lai.

4.1. Thành tựu và hiệu quả đạt được

Xe thu gom rác thông minh đã chứng minh khả năng điều khiển đáng tin cậy từ smartphone ở khoảng cách tối đa 30-50 mét trong môi trường Wifi. Nhận dạng giọng nói hoạt động với độ chính xác 85-90% đối với lệnh tiếng Việt. Định vị GPS cung cấp vị trí chính xác để theo dõi xe realtime. Hệ thống đã giảm tỉ lệ lỗi điều khiển và nâng cao hiệu suất so với phương pháp thủ công truyền thống.

4.2. Hạn chế và đề xuất cải tiến

Hạn chế hiện tại bao gồm phạm vi Wifi hạn chế, độ chính xác GPS chưa đủ cao trong môi trường đô thị, và thời gian pin không đủ dài. Đề xuất cải tiến bao gồm sử dụng 4G LTE để mở rộng phạm vi điều khiển, tích hợp RTK GPS cho định vị centimet, tăng dung lượng pin, và thêm cảm biến LiDAR cho phát hiện chướng ngại vật tự động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan 3 - Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Chương 3: Xây dựng và thiết kế hệ thống - Chương 4: Kết quả và thực nghiệm - Chương 5: Kết luận và hướng phát tri n Phần 3: Tài liệu tham khảo và code chương trình. 4 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 2. Giới thiệu chung Raspberry Pi là một chiếc bo mạch có th làm được hầu như mọi ứng d ng hằng ngày như lướt web, học lập trình, xem phim HD đến những ý tưởng mà người mua không ngờ đến như điều khi n robot, nhà thông minh, vườn thông minh. Raspberry Pi chạy hệ điều hành Linux: các ứng d ng và phần mềm trên Raspberry Pi đều được cài đặt và sử d ng hoàn toàn miễn phí! Raspberry Pi có ngõ GPIO tức là người ta có th kết nối và điều khi n các thiết bị trong cuộc sống thực tế như đèn, máy bơm, GPS… Rất nhiều ứng d ng thông minh đã sử d ng Raspberry Pi làm bộ điều khi n trung tâm.

Với nhưng ưu đi m độc đáo trên, Raspberry Pi đã vượt ra khỏi biên giới của trường học và trở thành thiết bị ưa thích của rất nhiều người đam mê điện tử và lập trình. Sự thành công của nó đã mở ra một bước phát tri n mới cho tin học: đem máy tính và cảm hứng lập trình đến gần mọi người hơn bao giờ hết. Phần cứng của Raspberry Pi Phần cứng Raspberry Pi bao gồm CPU, Khe cắm thẻ nhớ, Micro USB Power, Cổng DSI (Display Serial Interface), Cổng CSI (Camera Serial Interface), Cổng HDMI, Cổng kết nối Ethenet, Cổng USB, STEREO AUDIO và các chân GPIO.1 Cấu tạo Raspberry Pi Hình 2.2 Sơ đồ chân GPIO của Raspberry Pi Raspberry Pi cung cấp nhiều cổng GPIO, giao tiếp SPI, I2C, Serial. Các cổng GPIO được sử d ng đ xuất/nhận giá trị 0/1 ra/vào từ bên ngoài.

Giao tiếp SPI, I2C, Serial có th được dùng đ kết nối trực tiếp với các vi điều khi n khác. Đặc biệt phù hợp cho những ai cần điều khi n các thiết bị điện tử ngoại vi.3 Sơ đồ khối Raspberry Pi[1] 6 2. Thông số kỹ thuật Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật Raspberry Pi STT Tên Mô tả Broadcom BCM2837B0, quad-core A53 (ARMv8) 64- 1 Vi xử lý bit SoC @1.4GHz 2 RAM 1GB LPDDR2 SDRAM 2.4GHz and 5GHz IEEE 802.11 b/g/n/ac wireless LAN, 3 Kết nối Bluetooth 4.2, BLE, Gigabit Ethernet over USB 2.0 5 Mở rộng 40-pin GPIO 1 cổng full-sized HDMI, Cổng MIPI DSI Display, cổng Video và 6 MIPI CSI Camera, cổng stereo output và composite âm thanh video 4 chân.264 encode 7 Multimedia (1080p30); OpenGL ES 1.0 graphics 8 Lưu trữ MicroSD 5V/2.5A DC cổng microUSB, 5V DC trên chân GPIO, 9 Nguồn Power over Ethernet (PoE) (yêu cầu thêm PoE HAT). Hệ điều hành của Raspberry Pi Raspberry Pi chạy HĐH dựa trên nhân Linux.

Raspbian - một phiên bản dựa trên Debian đã được tối ưu cho phần cứng của Pi là HĐH được Quỹ Raspberry Pi đề nghị sử d ng. Ngoài ra Raspberry Pi có th chạy được các hệ điều hành sau: Linux (Raspbian, Pidora, Archlinux), OpenElec & XBMC, RetroPie, RISC OS, Plan 9, Firefox OS, Android, Pipboy. Chức năng Wifi Nhóm sử d ng tính năng wifi của Raspberry Pi, bo mạch sử d ng chip Antenan đ thu và phát wifi. Địa chỉ IP của wifi do chúng ta thiết lập dựa trên wifi chúng ta cung cấp cho bo mạch sử d ng là 192.

Sau đây là một số lý thuyết liên quan đến wifi. Giới thiệu chung Wifi là viết tắt của Wireless Fidelity (không dây trung thực). Thực ra nó có tên là The Standard for Wireless Fidetily (chuẩn cho không dây trung thực). Wifi là một mạng không dây có khả năng kết nối với mạng khác hay với máy tính bằng sóng vô tuyến.

Nó nhanh hơn và phạm vi hoạt động lớn hơn Bluetooth. Một người với thiết bị có cài đặt Wifi như máy tính, điện thoại, PDA có th kết 7 nối Internet khi ở gần đi m truy cập. Wifi hoạt động ở hai tốc độ: với chuẩn 802.11b thì tốc độ trao đổi dữ liệu là 11Mbps và với chuẩn 802.11g thì tốc độ đạt được 54 Mbps. Rõ ràng là nó nhanh hơn Bluetooth rất nhiều, vì Bluetooth hoạt động khoảng 0.

Hoạt động của Wifi Truy cập Internet không dây gồm có 4 thành phần: đường truyền tốc độ cao, một công mạng, một mạng không dây, và người dùng không dây. Người dùng sẽ kết nối với mạng không dây qua công mạng, và sau đó nó sẽ khởi chạy trình duyệt Internet. Đường truyền tốc độ cao: là một sự kết nốI Internet băng thông rộng. Việc kết nối này sẽ nhanh hơn so với dịch v kết nối quay số.

Công mạng: Có nhiệm v ngăn chặn những người truy cập vào mạng không dây của bạn mà không được phép, đồng thời nó cũng cung cấp những công c quản lí rất tốt như thẩm quyền, ki m tra mạng, và các dịch v khác như in ấn, thông qua IP. Mạng LAN không dây là một hệ thống kết nối máy tính của bạn với các thiết bị khác bằng sóng vô tuyến thay vì là dây dẫn. Người dùng không dây là những người mà có một máy tính với một adapter không dây, là những phương tiện đ họ truy cập không dây vào Internet. Adapter không dây có th được tích hợp sẵn, hoặc là là một thiết bị rời sẽ được cắm vào máy tính.

Đây là mô hình tiêu bi u cho mot mạng Wifi.4 Mô hình hoạt động của Wifi Đ tạo được kết nối Wifi nhất thiết phải có Router (bộ thu phát), Router này lấy thông tin từ mạng Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuy n nó sang tín hiệu vô tuyến và gửi đi, bộ chuy n tín hiệu không dây (adapter) trên các thiết bị di động thu nhận tín hiệu này rồi giải mã nó sang những dữ liệu cần thiết.[10] Quá trình này có th thực hiện ngược lại, Router nhận tín hiệu vô tuyến từ Adapter và giải mã chúng rồi gởi qua Internet. Sóng Wifi Các sóng vô tuyến sử d ng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử d ng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Nó có th chuy n và nhận sóng vô tuyến, chuy n đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại.[9] Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ:  Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, 5 GHz hoặc 60 GHz. Tần số này cao hơn so với các tần số sử d ng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình.

Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn.  Chúng dùng chuẩn 802.  WiFi có th hoạt động trên cả ba tần số và có th nhảy qua lại giữa các tần số khác nhau một cách nhanh chóng. Việc nhảy qua lại giữa các tần số giúp giảm thi u sự nhiễu sóng và cho phép nhiều thiết bị kết nối không dây cùng một lúc.

Sóng vô tuyến được truyền từ các anten và các router, và sẽ được nhận bởi các bộ nhận WiFi như các máy tính, điện thoại di động đưoc trang bị card WiFi. Khi các thiết bị này nhận được tín hiệu thì các card WiFi sẽ đọc tín hiệu và tạo kết nối không dây. Một khi một kết nối được thiết lập giữa người dùng và mạng thì người dùng sẽ được nhắc nhờ bằng một màn hình login và password nếu như đó là mạng thuê. Vùng phủ sóng bởi 1 hay nhiều AP được gọi là 1 hot spot.

Một hot spot có phạm vi khoảng từ 1 căn phòng đến vài dặm. Trên thế giới thì các hot spot này được đặt ở các thành phố đ mọi người với một laptop có th truy cập internet, như trong nhà hàng, khách sạn, trường học, sân bay. Các chuẩn Wifi Khi mua các thiết bị di động như điện thoại, máy tính bảng, laptop,. bạn thường thấy dòng máy có hỗ trợ kết Wifi 802.

Tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) tạo ra một tập các chuẩn đ đặc tả thông số kĩ thuật của mạng không dây và gọi nó là IEEE 802.11), chuẩn kết nối 802.11 còn bao gồm các chuẩn nhỏ là a/b/g/n/ac như bạn thường thấy khi xem thông số các thiết bị di động.5 Lịch sử ra đời các chuẩn Wifi  Chuẩn 802.11 Năm 1997, IEEE đã giới thiệu chuẩn mạng không dây đầu tiên và đặt tên nó là 802. Tuy nhiên chuẩn 802.11 chỉ hỗ trợ tốc độ mạng tối đa 2 Mbps với băng tần 2.4 GHz, rất chậm so với ngày nay và không được áp d ng rộng rãi trên thị trường.11b Hai năm sau vào tháng 7 năm 1999, chuẩn 802.11b ra đời và hỗ trợ tốc độ lên đến 11Mpbs thay vì 2Mbps như trước kia. Tương tự thế hệ đầu tiên, chuẩn kết nối 802.11b cũng sử d ng băng tần 2.4 GHz rất dễ bị gây nhiễu từ các thiết bị điện tử khác như điện thoại di động, lò vi sóng,. Chuẩn này được sử d ng rất rộng rãi trên thị trường với giá thành rẻ, phạm vi tín hiệu rộng (70-150m) tuy nhiên tốc độ tối đa khá thấp (11 Mpbs) và dễ bị nhiễu.11a cũng được phát tri n song song với chuẩn 802.11b, tuy nhiên chuẩn a thường được sử d ng trong các mạng của doanh nghiệp thay vì gia đình như chuẩn b vì giá thành khá cao.

So với chuẩn 802.11b, chuẩn này hỗ trợ tốc độ tối đa gần gấp 5 lần, lên đến 54 Mpbs và sử d ng băng tần vô tuyến 5 GHz có th tránh tình trạng bị nhiễu do các thiết bị khác. Tuy nhiên do tần số cao hơn nên phạm vi hoạt động của chuẩn 802.11a có phần hẹp hơn (40-100m) và khó xuyên qua các vật cản, vách tường.11g Năm 2003, chuẩn WiFi thế hệ thứ 3 ra đời được đặt là chuẩn 802.11g, chuẩn WiFi này thậm chí còn được sử d ng ở nhiều mạng WiFi các gia đình hiện nay.11g được xem là kết hợp giữa chuẩn a và b trước kia, với giá thành khá rẻ (tuy có phần đắt hơn chuẩn b).11g hỗ trợ tốc độ đến 54 Mpbs như chuẩn a nhưng sử d ng băng tần 2.4 GHz như chuẩn b, vì vậy chuẩn này có tốc độ cao, phạm vi tín hiệu tốt (80-200m). Và tất nhiên chuẩn này cũng có nhược đi m như chuẩn b là dễ bị nhiễu từ các thiết bị phát sóng khác. Do sự giống nhau về nhiều thông số, chuẩn kết nối 802.11g có khả năng tương thích ngược với chuẩn 802.11b và ngược lại.11n Đây là chuẩn tương đối mới (mới nhất là chuẩn ac) và đang sử d ng khá phổ biến hiện nay.11n được đưa ra nhằm cải thiện chuẩn 10 802.11g bằng cách sử d ng công nghệ MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) tận d ng nhiều anten hơn.

Chuẩn kết nối 802.