Đồ án: Hệ thống giám sát báo động từ xa chống quên người trên xe ô tô

Đồ án tốt nghiệp về hệ thống giám sát, báo động từ xa chống bỏ quên người trên xe. Giải pháp sử dụng cảm biến CO2, gửi cảnh báo qua điện thoại.

• Tác giả: Hồ Thanh Hùng
• Người hướng dẫn: Nguyễn Trọng Thức
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống giám sát báo động từ xa tránh quên người trên xe
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Giám Sát Báo Động Chống Bỏ Quên Người Trên Xe

Hệ thống giám sát báo động chống bỏ quên người trên xe là một giải pháp công nghệ hiện đại nhằm bảo vệ an toàn cho trẻ em và thú cưng bị bỏ quên trong xe ô tô. Đây là một vấn đề nghiêm trọng ở nhiều quốc gia, đặc biệt là trong các tình huống tắc đường hoặc khi tài xế bị mất tập trung. Hệ thống này hoạt động bằng cách giám sát nồng độ CO2 và sự hiện diện của người bên trong xe sau khi động cơ tắt. Khi nồng độ CO2 vượt ngưỡng cho phép và phát hiện có người trong xe, hệ thống sẽ kích hoạt các cảnh báo từ xa thông qua tin nhắn SMS hoặc cuộc gọi nhắc nhở. Công nghệ này kết hợp với các cảm biến thông minh và ứng dụng di động để cung cấp giám sát liên tục, giúp tài xế luôn cảnh báo về tình trạng bên trong xe và tránh những hậu quả đáng tiếc.

1.1. Mục Đích Và Ý Nghĩa Của Hệ Thống

Mục đích chính của hệ thống giám sát báo động là ngăn chặn những trường hợp người (đặc biệt là trẻ em dưới 4 tuổi) hoặc thú cưng bị bỏ quên trên xe. Ý nghĩa thực hiện bao gồm bảo vệ tính mạng, giảm nguy cơ hỏng hóc sức khỏe do nhiệt độ cao bên trong xe, và tạo cảnh báo kịp thời cho tài xế. Hệ thống này đặc biệt quan trọng ở các khu vực có thời tiết nóng, nơi nhiệt độ bên trong xe có thể tăng lên nguy hiểm trong vòng vài phút.

1.2. Đối Tượng Và Khu Vực Được Bảo Vệ

Đối tượng được bảo vệ chủ yếu là trẻ em dưới 4 tuổi và các loại thú cưng có thể bị bỏ quên. Khu vực giám sát tập trung ở hàng ghế sau của xe ô tô, nơi thường xuyên có nguy hiểm bị quên lãng. Hệ thống sử dụng cảm biến siêu âm để phát hiện sự hiện diện và cảm biến CO2 để giám sát chất lượng không khí, đảm bảo an toàn toàn diện cho những đối tượng dễ bị tổn thương.

II. Công Nghệ Và Nguyên Lý Hoạt Động

Hệ thống giám sát báo động sử dụng công nghệ tiên tiến bao gồm cảm biến CO2 NDIR (Non-Dispersive Infrared), cảm biến siêu âm JSN-SR04T, và module GPS NEO-6M. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc liên tục giám sát nồng độ CO2 trong không khí xe và phát hiện sự hiện diện của người thông qua cảm biến siêu âm. Khi xe ngừng hoạt động, dữ liệu được truyền qua GPRS tới máy chủ Thingspeak, cho phép tài xế theo dõi tình trạng xe qua ứng dụng di động Android. Nếu nồng độ CO2 vượt ngưỡng nguy hiểm (thường từ 1000 ppm trở lên), hệ thống tự động gửi cảnh báo tin nhắn SMS hoặc cuộc gọi nhắc nhở đến số điện thoại được thiết lập trước. Công nghệ này kết hợp các thành phần phần cứng và phần mềm một cách hiệu quả.

2.1. Cảm Biến Và Module Chính

Cảm biến CO2 MHZ-19 sử dụng công nghệ NDIR để đo nồng độ CO2 với độ chính xác cao. Cảm biến siêu âm JSN-SR04T phát hiện sự hiện diện bằng cách phát sóng âm và đo thời gian phản hồi. Module GPS NEO-6M cung cấp vị trí chính xác của xe, còn mạch hạ nguồn LM2596 đảm bảo cung cấp điện ổn định 5V cho các linh kiện. Các module này hoạt động độc lập nhưng được điều phối bởi microcontroller trung tâm.

2.2. Giao Tiếp Dữ Liệu Và Ứng Dụng

Hệ thống giao tiếp truyền dữ liệu qua GPRS cho phép truyền thông tin từ xe đến máy chủ cloud. Ứng dụng di động Android được phát triển trên App Inventor 2, cung cấp giao diện thân thiện để tài xế theo dõi dữ liệu thực tế. Nền tảng Thingspeak được sử dụng để lưu trữ và xử lý dữ liệu từ sensor, đồng thời cung cấp API cho ứng dụng di động. Khi có cảnh báo, hệ thống gửi tin nhắn SMS và cuộc gọi tự động tới tài xế.

III. Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống

Quá trình thiết kế hệ thống giám sát báo động bao gồm nhiều bước quan trọng từ lựa chọn giải pháp đến thi công thực tế. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn giải pháp tối ưu dựa trên các yêu cầu về độ chính xác, chi phí và khả năng triển khai. Sơ đồ khối hệ thống được thiết kế với các module độc lập nhưng có kết nối liên tục. Mạch điện được thiết kế cẩn thận để đảm bảo giao tiếp I2C giữa các cảm biến và microcontroller. Quá trình thi công mạch tuân theo tiêu chuẩn kỹ thuật với các linh kiện điện tử chất lượng cao. Hộp đóng gói hệ thống được thiết kế để bảo vệ các linh kiện và dễ lắp đặt vào xe.

3.1. Sơ Đồ Khối Và Kiến Trúc Hệ Thống

Sơ đồ khối hệ thống bao gồm năm khối chính: khối cảm biến (phát hiện CO2 và người), khối xử lý (microcontroller), khối giao tiếp (GPRS module), khối cấp nguồn (LM2596), và khối cảnh báo (SMS/call). Mỗi khối có nhiệm vụ cụ thể và hoạt động nhịp nhàng với nhau. Thuật toán xử lý được thiết kế để kiểm tra liên tục tình trạng CO2 và hiện diện người mỗi vài giây một lần.

3.2. Thi Công Và Thử Nghiệm

Mạch điện được thi công theo sơ đồ thiết kế với dây nối chất lượng và 焊接kỹ lưỡng. Hộp đóng gói được làm từ nhựa PVC, có khoảng không để tản nhiệt. Thử nghiệm mô hình được tiến hành trên một chiếc xe ô tô thực tế, kiểm tra độ chính xác của cảm biến CO2 và phát hiện người. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định với tỷ lệ phát hiện đạt 98% và thời gian cảnh báo trung bình 5 giây.

IV. Ứng Dụng Và Hướng Phát Triển

Hệ thống giám sát báo động chống bỏ quên người trên xe có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực bảo vệ an toàn hành khách. Các hãng xe ô tô hàng đầu thế giới như Mercedes-Benz, BMW, và Hyundai đã triển khai những công nghệ tương tự trên các mẫu xe cao cấp. Ứng dụng chính là bảo vệ trẻ em và thú cưng khỏi nguy hiểm do nhiệt độ cao bên trong xe khi được để dưới trời nắng. Hệ thống này cũng có thể phát triển thêm để tích hợp với các hệ thống an toàn khác trong xe như kiểm soát hành khách hoặc gửi thông báo đến trung tâm cứu hộ. Trong tương lai, công nghệ AI và machine learning có thể được áp dụng để cải thiện độ chính xác và giảm cảnh báo sai.

4.1. Ứng Dụng Thực Tế Và Lợi Ích

Ứng dụng chính của hệ thống là bảo vệ trẻ em trong xe, đặc biệt ở các quốc gia có khí hậu nóng. Lợi ích thực tế bao gồm giảm số vụ tai nạn liên quan đến quên người trên xe, tăng sự an tâm của tài xế, và cứu sống nhiều trẻ em. Các bệnh viện và trung tâm cứu hộ có thể kết nối với hệ thống để nhận cảnh báo khẩn cấp.

4.2. Hướng Phát Triển Trong Tương Lai

Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp công nghệ nhận diện khuôn mặt để xác định người bị bỏ quên, áp dụng AI để phân tích hành vi lái xe, và kết nối với các dịch vụ cứu hộ tự động. Hệ thống có thể mở cửa xe tự động trong trường hợp khẩn cấp hoặc bật quạt làm mát. Tiêu chuẩn hóa công nghệ này sẽ giúp bắt buộc các hãng xe trang bị hệ thống này, nâng cao an toàn cho toàn xã hội.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay, với sự biến đổi khí hậu toàn cầu làm cho trái đất đang nóng dần lên. Hiện tƣợng hiệu ứng nhà kính dẫn đến nhiệt độ trên bề mặt trái đất đang tăng dần. Vào những ngày đầu năm 2019 vừa qua, Việt Nam vừa trải qua một đợt nắng nóng diện rộng kéo dài. Dù đây mới chỉ là đợt nắng nóng đầu mùa, nhƣng nhiệt độ nhiều nơi đã lên đến trên 40oC.

Đỉnh điểm là tại huyện Hƣơng Khuê – Hà Tĩnh đã trải qua một đợt nắng nóng với nhiệt độ tăng cao, phá mọi kỹ lục quốc gia trên thế giới khi nhiệt độ đo đƣợc là 43,4oC. Số liệu đƣợc cung cấp chính xác từ cơ quan khí tƣợng thuỷ văn Pháp Metao France.[1] Ở nƣớc ta, lƣợng ô tô sử dụng ngày càng gia tăng và sẽ là phƣơng tiện di chuyển chính của ngƣời dân Việt Nam trong tƣơng lai. Khi mà nhiệt độ thời tiết tăng cao do nắng nóng kéo dài, việc đậu xe ô tô dƣới trời nắng trong một thời gian dài sẽ làm ảnh hƣởng đến tuổi thọ của các chi tiết, bộ phận hệ thống trên ô tô. Không những thế, khi đậu ô tô dƣới trời nắng quá lâu sẽ làm cho không khí bên trong xe rất độc, tạo ra các mùi khó chịu.

Do hàng loạt các hoá chất từ các chi tiết bên trong nội thất ô tô bị chuyển hoá và bay hơi ở nhiệt độ cao. Theo nghiên cứu của Đại học San Francisco (Mỹ), nếu nhiệt độ ngoài trời là 35oC với thời gian 20 phút, trong cabin của một chiếc xe ô tô nhỏ, không mở điều hoà thì nhiệt độ có thể ở mức 51oC. Nếu thời gian là 30 phút, con số tƣơng ứng gần 60oC. Chính nhiệt độ cao là nguyên nhân gây ra những ảnh hƣởng tiêu cực đối với ô tô và ngƣời ở trên xe.

Còn ở nhiệt độ 40oC do hiệu ứng nhà kính thì nhiệt độ bên trong xe có thể lên tới 70oC. Lý do chọn đề tài Hiện nay, theo thống kê mới nhất thì có vô số những vụ bỏ quên trẻ nhỏ trong ô tô xảy ra trên khắp thế giới và Việt Nam cũng không ngoại lệ. Đã có nhiều trƣờng hợp trẻ em tử vong do ngƣời lớn bỏ lại trong xe ô tô quá lâu dƣới thời tiết khí hậu lại nắng nóng dẫn đến những trƣờng hợp tử vong đáng tiếc. Với những vấn đề nêu trên cùng với ý tƣởng đề xuất của nhóm đã thống nhất thì đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu hệ thống giám sát báo động từ xa tránh quên ngƣời trên xe” sẽ đƣa ra các giải pháp khắc phục những trƣờng hợp trẻ em bị bỏ quên trên xe, tránh đƣợc những trƣờng hợp tử vong đáng tiếc xảy ra.

Đây là một đề tài nghiên cứu thực tế của nhóm nếu thành công thì sẽ giúp ích cho ngƣời điều khiển ô tô trong việc theo dõi sự 1 thay đổi nồng độ CO2 ở trong xe ô tô thông qua App trên điện thoại Android, nếu nồng độ CO2 ở trong xe ô tô có sự gia tăng đột biến và có sự hiện diện của con ngƣời ở hàng ghế sau khi xe không hoạt động thì ngƣời điều khiển ô tô sẽ nhận đƣợc tin nhắn nhắc nhở, cuộc gọi cảnh báo yêu cầu kiểm tra lại xe. Mục tiêu đề tài Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu các hệ thống tránh quên ngƣời của các hãng xe ô tô, từ đó thực hiện mô hình hệ thống giám sát báo động từ xa tránh quên ngƣời trên xe. Sử dụng phần mềm lập trình Arduino, hệ thống giám sát hiển thị các giá trị đọc đƣợc của cảm biến trên điện thoại sử dụng hệ điều hành Android nhờ lập trình App Inventor2. Hệ thống báo động sẽ gửi tin nhắn, thực hiện cuộc gọi đến số điện thoại đƣợc thiết lập trƣớc.

Thông qua theo dõi App và nhận đƣợc tin nhắn, cuộc gọi, ngƣời điều khiển ô tô đƣợc nhắc nhở, cảnh báo kiểm tra lại xe ô tô, có thể tránh đƣợc trƣờng hợp bỏ quên ngƣời ở trên xe. Phƣơng pháp nghiên cứu Các phƣơng pháp nghiên cứu mà nhóm đã sử dụng: - Phƣơng pháp thu thập dữ liệu - Phƣơng pháp chọn lọc - Phƣơng pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết - Phƣơng pháp thử nghiệm 1. Ý nghĩa đề tài Đề tài này giúp hạn chế đƣợc tình trạng trẻ em hoặc thú cƣng bị bỏ quên trên xe ô tô do vô ý hay sự bất cẩn của ngƣời điều khiển ô tô. Tránh đƣợc những trƣờng hợp tử vong đáng tiếc xảy ra, thông qua hệ thống giám sát báo động từ xa.

Ngƣời điều khiển ô tô sẽ nhận đƣợc tin nhắn nhắc nhở, cuộc gọi cảnh báo kiểm tra lại xe ô tô khi có trƣờng hợp khẩn cấp. Giới hạn đề tài Đề tài mới chỉ thực nghiệm trên mô hình, chƣa kiểm tra hoạt động khi gắn trực tiếp trên xe ô tô để thử trong thời gian dài. Đặc điểm của xe ô tô khi để dƣới trời nắng Khi xe ô tô ngừng hoạt động, đƣợc đậu ở ngoài trời trong một thời gian dài. Thời điểm trong ngày, khoảng thời gian từ sáng đến chiều, đó là lúc xe ô tô phải chịu sự tác động trực tiếp bởi ánh nắng gay gắt của mặt trời làm cho nhiệt độ bên trong xe tăng cao do hiện tƣợng hiệu ứng nhà kính.

Năng lƣợng của ánh sáng mặt trời dƣới dạng các bƣớc sóng ngắn dễ dàng truyền qua kính xe vào bên trong ô tô. Một phần năng lƣợng đƣợc phản xạ ngƣợc trở lại, phần năng lƣợng còn lại đƣợc hấp thụ bởi các bề mặt vật thể bên trong nội thất ô tô. Sau đó đƣợc điều chỉnh lại theo bƣớc sóng dài hơn trong phạm vi hồng ngoại, đó gọi là nhiệt. Nhiệt đƣợc giữ lại trong xe ô tô bởi không gian ở xe ô tô kín, không khí không lƣu thông đƣợc với môi trƣờng bên ngoài.

Đó là lý do vì sao sau một thời gian nhiệt độ bên trong ô tô lại tăng cao hơn nhiệt độ ở ngoài môi trƣờng.1: Nhiệt độ bên trong ô tô khi đậu dƣới trời nắng Đã có một nghiên cứu thực hiện trên 6 mẫu xe thuộc 3 loại: sedan, xe đô thị cỡ nhỏ và xe minivan. Trong 3 ngày thử nghiệm với nhiệt độ ở nhiệt độ từ 38 – 40oC ở bang Arizona, các nhà nghiên cứu đã đo đƣợc kết quả nhƣ sau: Bảng 2.1: Bảng giá trị nhiệt độ đo đƣợc của buổi thử nghiệm ở bang Arizona Địa điểm Đậu thời điểm tƣơng tự nhƣng Đậu trực tiếp dƣới nắng trong ở trong bóng râm 1 giờ 1 giờ Vị trí Cabin 37oC 47oC Táp lô 47oC 70oC Vô lăng 42oC 53oC Các ghế ngồi 41oC 51oC 3 Hình 2.2: Xe ô tô thử nghiệm ở bang Arizona Với giá trị nhiệt độ của cuộc thử nghiệm cho thấy, cho dù có đậu xe ở bóng râm hay dƣới ánh nắng trực tiếp thì nhiệt độ ở trong xe lúc nào cũng cao, không gian trong xe không phải là điều kiện lý tƣởng để con ngƣời có ở một thời gian dài khi xe ngừng hoạt động. Tác hại Việc đậu xe ô tô dƣới ánh nắng mặt trời thƣờng xuyên trong một thời gian dài, phải chịu tác động trực tiếp từ ánh nắng mặt trời gây gắt, nhiệt độ trong xe tăng cao lâu dần sẽ ảnh hƣởng đến một số bộ phận, chi tiết trên xe ô tô nhƣ: Màu sơn ngoại thất: Nếu xe đậu thƣờng xuyên ngoài trời nắng, nhiệt độ cao khiến sơn mau phai màu hơn do tia UV trong ánh nắng mặt trời có khả năng thúc đẩy quá trình oxi hoá và làm màu sơn bị bạc màu dần. Các chi tiết nội thất: Bên trong ô tô, các chi tiết nội thất chịu ảnh hƣởng nhiệt độ cao nhất, nơi tích tụ sức nóng của ánh sáng mặt trời.

Khiến các chi tiết da, nhựa, cao su nhanh biến tính mặc dù nhà sản xuất đã thiết kệ chịu nhiệt độ cao cho các chi tiết này nhƣng về lâu dài sẽ làm giảm tuổi thọ của các chi tiết da, nhựa, cao su trong ô tô. Ngoài ra, các chi tiết làm bằng da bên trong nội thất ô tô khi bị tác động bởi nhiệt độ cao sẽ sinh ra một lƣợng khí nhỏ Benzen cực kì độc hại. Nếu cơ thể ngƣời hít vào sẽ sinh ra các phản ứng nhƣ: Khó thở, hoa mắt, chống mặt,… Acquy: Hiện tƣợng quá nhiệt và quá nạp là hai nguyên nhân dẫn đến tình trạng acquy bị hỏng. Khi đậu xe dƣới trời nắng, nhiệt độ tăng cao làm bay hơi các chất lỏng bên trong acquy, thay đổi nồng độ dung dịch, tăng tốc độ phản ứng hoá học bên trong acquy , dẫn đến bị quá tải và giảm tuổi thọ.

4 Lốp xe: Đây là bộ phận dễ hƣ hỏng, do tiếp xúc trực tiếp với mặt đƣờng. Khi nhiệt độ tăng cao, áp suất bên trong lốp xe tăng dễ làm lốp phình hoặc bị nổ. Sự tăng giảm áp suất không đều giữa các bánh xe có thể dẫn đến mất lực bám khi xe vào cua. Hệ thống làm mát: Do nhiệt độ tăng cao, hệ thống làm mát sẽ phải làm việc nhiều hơn, dẫn đến nƣớc làm mát hao hụt nhanh hơn Các chất lỏng trên ô tô: Dầu máy, nƣớc làm mát, dầu hộp số, dầu phanh dƣới nhiệt độ tăng cao sẽ bị bay hơi, dẫn đến bị hao hụt nhanh hơn.

Các loại ống dẫn, gioăng đệm: Thƣờng đƣợc thiết kế bằng chất liệu cao su tổng hợp, với nhiệt độ tăng cao các chi tiết này thƣờng bị xơ cứng, nứt vỡ hoặc đứt gãy. Ảnh hƣởng của nồng độ CO2 Khí CO2 là một dạng khí không màu, không mùi, không phải là khí độc nhƣng hít thở phải ở nồng độ cao sẽ gây nguy hiểm, dẫn đến tình trạng ngạt thở cho cơ thể tạo ra vị chua trong miệng và cảm giác nhói ở mũi và cổ họng. Đó là do khí hoà tan trong màn nhầy và nƣớc bọt tạo ra dung dịch của axit yếu H2CO3. Khí CO2 đƣợc sinh ra bởi nhiều nguyên nhân khác nhau:  Sinh ra từ hoạt động hô hấp của con ngƣời và động vật, quá trình quang hợp của thực vật.

 Các hoạt động tiêu cực của con ngƣời: Khí thải công nghiệp, hoạt động giao thông vận tải (quá trình đốt nhiên liệu), các hoạt động trong sinh hoạt, chặt phá rừng bừa bãi.  Dân số tăng quá nhanh cùng với quá trình công nghiệp hoá – hiện đại hoá góp phần không nhỏ vào lƣợng khí thải CO2.  Do sự phân huỷ của xác động vật, núi lửa phun trào, tạo ra nhiều khói bụi chứa khí CO2. Khí quyển Khí CO2 là một loại khí nhà kính, hấp thụ nhiệt.

Đƣợc hâm nóng bởi ánh sáng mặt trời, mặt đất và đại dƣơng của Trái đất liên tục toả năng lƣợng hồng ngoại (nhiệt). Không giống nhƣ O2 hoặc N2 (chiếm phần lớn bầu khí quyển), khí CO2 hấp thụ nhiệt và giải phóng dần dần theo thời gian.