Đồ án: Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu trên ô tô

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu, chế tạo hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu ô tô. Ứng dụng giao thức OBD-II, GPS để theo dõi và lưu trữ trên server.

• Tác giả: Nguyễn Đỗ Quí
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trung Hiếu
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu trên ô tô
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu ô tô

Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu ô tô là một giải pháp công nghệ hiện đại nhằm nâng cao an toàn, tiện dụng và khả năng kết nối của phương tiện giao thông. Với sự phát triển của công nghệ IoT (Internet of Things), ứng dụng các thiết bị giám sát trên ô tô đã trở thành xu hướng tất yếu. Hệ thống này cho phép thu thập dữ liệu từ các cảm biến trên xe, xử lý thông tin và truyền dữ liệu lên Cloud Computing để lưu trữ và phân tích. Những thông tin được thu thập bao gồm dữ liệu từ giao thức OBD-II, vị trí GPS, và các cảm biến gia tốc. Mục tiêu chính là xây dựng một nền tảng công nghệ cơ bản cho phép giám sát hiệu suất xe, phát triển các ứng dụng quản lý hành trình, và hỗ trợ các giải pháp kinh tế-xã hội như kiểm soát giao thông và quản lý vận tải.

1.1. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn

Hệ thống giám sát dữ liệu ô tô mang lại nhiều lợi ích thiực tiễn cho người dùng và cơ quan quản lý. Nó giúp tăng cường an toàn giao thông, cải thiện hiệu suất nhiên liệu, và quản lý bảo trì xe một cách hiệu quả. Các ứng dụng thực tiễn bao gồm theo dõi hành trình xe, cảnh báo lái xe nguy hiểm, quản lý đội xe cho các doanh nghiệp vận tải, và phát triển các mô hình chia sẻ dữ liệu từ phương tiện để giải quyết các bài toán về giao thông đô thị.

1.2. Các công nghệ chính trong hệ thống

Hệ thống sử dụng nhiều công nghệ tiên tiến bao gồm giao thức UART, SPI, I2C để liên kết các module cảm biến, giao thức MQTT và HTTP cho truyền dữ liệu mạng, và module GPS để xác định vị trí chính xác. Ngoài ra, thẻ nhớ micro SD được sử dụng để lưu trữ dữ liệu cục bộ khi không có kết nối internet, đảm bảo không mất thông tin quan trọng.

II. Cấu trúc phần cứng và module thiết bị

Cấu trúc phần cứng của hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu ô tô bao gồm nhiều thành phần chính hoạt động liên kết với nhau. Trung tâm của hệ thống là vi điều khiển (microcontroller) thực hiện xử lý dữ liệu từ các module cảm biến khác nhau. Các module bao gồm đầu đọc OBD-II để lấy dữ liệu từ hệ thống chẩn đoán xe, module GPS để định vị vị trí, và cảm biến gia tốc để đo độ chuyển động. Hệ thống còn tích hợp module WiFi để truyền dữ liệu lên web server qua internet. Tất cả các module được kết nối thông qua các giao thức giao tiếp chuẩn như UART, SPI, và I2C, tạo nên một hệ thống tích hợp hoàn chỉnh và hiệu quả.

2.1. Module OBD II và các cảm biến

Module OBD-II là thành phần quan trọng nhất, cho phép truy cập dữ liệu từ bộ máy của ô tô như tốc độ, tiêu thụ nhiên liệu, và các thông số động cơ khác. Cảm biến gia tốc bổ sung thông tin về sự thay đổi vận tốc và hướng di chuyển, giúp phát hiện các hành động lái xe nguy hiểm. Các cảm biến này cung cấp dữ liệu thô cần thiết cho việc phân tích và giám sát hoạt động của phương tiện.

2.2. Hệ thống lưu trữ và truyền dữ liệu

Hệ thống sử dụng thẻ nhớ micro SD để lưu trữ dữ liệu cục bộ, đảm bảo không mất dữ liệu ngay cả khi mất kết nối internet. Module WiFi cho phép truyền dữ liệu lên web server thông qua giao thức HTTP hoặc MQTT. Kiến trúc này cho phép lưu trữ đa chiều trên cả cơ sở dữ liệu cloud và bộ nhớ địa phương.

III. Quy trình thu thập và xử lý dữ liệu

Quy trình thu thập dữ liệu từ ô tô tuân theo một luồng xử lý được thiết kế tối ưu. Đầu tiên, vi điều khiển thu thập dữ liệu từ tất cả các module cảm biến thông qua các giao thức giao tiếp khác nhau. Dữ liệu từ OBD-II được đọc qua giao thức UART, dữ liệu GPS cung cấp tọa độ vị trí, và cảm biến gia tốc cung cấp thông tin chuyển động. Vi điều khiển sau đó xử lý và chuẩn hóa dữ liệu này, chuẩn bị để truyền lên server. Khi có kết nối WiFi, dữ liệu được gửi lên web server qua giao thức MQTT hoặc HTTP để lưu trữ trong database. Đồng thời, một bản sao dữ liệu cũng được lưu vào thẻ nhớ micro SD để đảm bảo an toàn thông tin. Quy trình này diễn ra liên tục để cung cấp giám sát real-time.

3.1. Giao thức giao tiếp và truyền dữ liệu

Giao thức UART được sử dụng để liên kết với module OBD-II, trong khi giao thức SPI và I2C xử lý kết nối với các cảm biến khác. Đối với truyền dữ liệu mạng, giao thức MQTT cung cấp kết nối nhẹ và đáng tin cậy, trong khi HTTP được dùng cho giao diện web server. Những giao thức này đảm bảo truyền tải dữ liệu ổn định và hiệu quả.

3.2. Lưu trữ và quản lý dữ liệu trên cloud

Dữ liệu được truyền lên Cloud Computing được lưu trữ trong database tập trung. Hệ thống cho phép truy vấn dữ liệu từ nhiều xe khác nhau, tạo điều kiện cho việc phân tích bộ dữ liệu lớn (Big Data) về hành vi lái xe và tình trạng giao thông. Kiến trúc cloud này cho phép mở rộng hệ thống mà không cần nâng cấp phần cứng lớn.

IV. Giao diện người dùng và ứng dụng web

Giao diện web của hệ thống cung cấp một dashboard trực quan để người dùng giám sát dữ liệu ô tô của họ. Giao diện được thiết kế với JavaScript để tạo các tính năng tương tác động và hiển thị dữ liệu real-time. Người dùng có thể xem vị trí xe trên bản đồ GPS, theo dõi các thông số động cơ như tiêu thụ nhiên liệu và tốc độ, và nhận các cảnh báo về hành vi lái xe nguy hiểm. Giao diện responsive cho phép truy cập từ các thiết bị khác nhau như smartphone, tablet, hoặc máy tính để bàn. Hệ thống cũng hỗ trợ quản lý hành trình chi tiết, lưu lạc lối đi của xe, và cung cấp báo cáo phân tích về hiệu suất và mẫu lái xe. Các chức năng này giúp cải thiện trải nghiệm người dùng và cung cấp thông tin hữu ích cho quản lý và tối ưu hóa hoạt động phương tiện.

4.1. Thiết kế và chức năng dashboard

Dashboard được thiết kế với giao diện thân thiện hiển thị các widget thông tin về trạng thái xe, vị trí hiện tại, và các cảnh báo quan trọng. Sử dụng JavaScript và các thư viện visualize dữ liệu, hệ thống hiển thị biểu đồ về tiêu thụ nhiên liệu theo thời gian và bản đồ GPS tương tác. Người dùng có thể tùy chỉnh các thông tin hiển thị theo nhu cầu của họ.

4.2. Tính năng quản lý và cảnh báo

Hệ thống cung cấp tính năng cảnh báo tự động khi phát hiện các hành vi lái xe nguy hiểm như tăng tốc đột ngột, quay vòng nhanh, hoặc vượt tốc độ. Tính năng quản lý hành trình cho phép xem lịch sử đi lại của xe, tính toán khoảng cách và thời gian lái xe. Những công cụ này hỗ trợ quản lý doanh nghiệp vận tải và cải thiện an toàn giao thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1. Lí do chọn đề tài Nền công nghiệp 4.0 đã và đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới, làm thay đổi căn bản nền sản xuất của thế giới, tác động đến các quốc gia trên nhiều phương diện, một cuộc cách mạng sản xuất gắn liền với những đột phá về công nghệ, liên quan đến kết nối internet, điện toán đám mây, in 3D, công nghệ cảm biến, thực tế ảo,. và ngành công nghiệp ô tô là một trong những ngành được hưởng lợi không ít từ cuộc cách mạng công nghiệp này. Giờ đây ô tô đã không còn là một thiết bị cơ khí giúp vận chuyển con người và hàng hóa một cách dễ dàng.

Ngoài những nhu cầu cơ bản của một chiếc ô tô thì hiện nay điều người dùng quan tâm hơn hết là sự an toàn, sự tiện dụng về nhu cầu di chuyển và giải trí, kết nối với các nền tảng công nghệ để giúp chiếc ô tô trở nên hiện đại và sang trọng hơn. Việc ứng dụng thành công công nghệ IOT lên các phương tiện ô tô sẽ tạo ra rất nhiều lợi ích nhờ vào nguồn thông tin vô cùng lớn được chia sẻ từ xe. Từ đó, những nhà nghiên cứu ứng dụng có thể phát triển thêm nhiều sáng chế, ứng dụng để giải quyết các bài toán về kinh tế - xã hội như kiểm soát mật độ giao thông, quản lý hành trình xe, đưa ra các cảnh báo, phát triển các mô hình kinh doanh dựa trên sự chia sẻ thông tin từ các phương tiện này. Với mục đích tạo ra một hệ thống, nền tảng cơ bản cho phép thu thập, giám sát và lưu trữ dữ liệu dựa trên các nền tảng công nghệ Cloud computing.

Bên cạnh tạo ra một hướng phát triển cho các công việc nghiên cứu ứng dụng sâu rộng cần đến chức năng thu thập và lưu trữ dữ liệu. Qua sự mày mò tìm hiểu cũng như được sự hướng dẫn của GVHD Nguyễn Trung Hiếu, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu trên ô tô” làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp. Xu hướng nghiên cứu trên thế giới Sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ mới như IoT, AI, Big Data, Cloud,… không chỉ giúp định hình lại ngành công nghiệp xe hơi, mà còn khiến những sản phẩm “trong mơ” có thể đến gần hơn với hiện thực. những chiếc xe tự lái, xe điện thông minh trở nên gần hơn khi đã có thể chiêm ngưỡng “concept” ở các triển lãm.

Đóng góp quan trọng nhất của AI là làm cho các mẫu xe ô tô trở nên an toàn hơn thông qua khả năng giao tiếp với nhau (Vehicle-to-vehicle) giúp làm giảm tai nạn và cả khả năng giao tiếp với con người. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ đã và đang đe họa đến ngành sản xuất ô tô truyền thống, xe hơi không còn là “lãnh địa bất khả xâm phạm” của Ford, GM, Honda, Daimler, 3 Toyota, Jaguar Land Rover hay Volkswagen nữa. Hàng loạt các công ty, tập đoàn lớn về công nghệ như: Tesla, Google, Apple, Qualcomm,… đã và đang dần “lấn sân” sang lĩnh vực nghiên cứu và phát triển ô tô áp dụng công nghệ cao, tạo ra một cuộc chiến mới trong lĩnh vực ô tô toàn cầu. Trước sự “tấn công” ồ ạt của các công ty công nghệ, các nhà sản xuất ô tô đang bắt đầu thay đổi, và năm 2017 làn sóng cách tân chưa bao giờ mạnh mẽ đến thế.

Sự chuyển dịch lớn trong các nhà sản xuất đã đưa những chiếc xe thông minh đến gần hơn với hiện thực dù các mẫu xe này vẫn chưa thể xuất hiện ở showroom ô tô. Không chỉ bắt tay với các nhà sản xuất công nghệ, các thương hiệu ô tô đã bắt đầu chi nhiều tiền hơn cho nghiên cứu phát triển (R&D) để đưa các mẫu xe thông minh đến gần hơn với người tiêu dùng. AI trên xe hơi đang tiến được những bước rất xa và tạo ra những chiếc xe không chỉ là phương tiện đi lại đơn thuần. Các hướng nghiên cứu ở trong nước Hiện tại, ở Việt Nam đang có rất nhiều công ty như FPT, Robert Bosch, Renesas, Global Cyber Soft,… đang triển khai các dự án liên quan đến việc kết nối và giám sát các phương tiện giao thông.

Việc kết nối này có thể giúp cho chúng ta nhận biết được các mối nguy hiểm cũng như cách tránh né được chúng; giúp kiểm soát được vi phạm luật an toàn giao thông của các phương tiện; hỗ trợ xây dựng các hệ thống an toàn trên xe, các hệ thống trợ giúp con người trong việc di chuyển trên đường. Tháng 10/2017, FPT đã chính thức thử nghiệm công nghệ xe tự hành trên ô tô 4 chỗ chạy trong khuôn viên văn phòng của công ty tại TP. Xe có thể chạy ổn định trong khuôn viên làm việc của FPT với tốc độ 25km/h. Trong quá trình di chuyển, xe tự căn làn, chủ động rẽ trái/phải theo vạch đường cũng như xác định đối tượng trên đường và băng qua đường để tự động phanh và vòng tránh vật cản.

Với những tính năng trên, năng lực công nghệ xe tự lái của FPT đang hướng tới cấp độ 2 trên 5 cấp độ của SAE (Hiệp hội kỹ sư ô tô Hoa Kỳ). Hiện trong mảng công nghệ ô tô, FPT đã và đang triển khai khoảng 150 dự án liên quan đến công nghệ này cho 20 khách hàng tại Nhật Bản, Hàn Quốc, châu Âu và Mỹ. FPT đẩy mạnh đầu tư nghiên cứu phát triển các giải pháp công nghệ ô tô để hợp tác với các hãng hàng đầu thế giới liên quan tới ô tô, bao gồm cả hãng sản xuất (OEM) và hãng cung cấp linh kiện tier-1 [1]. 4 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 2.

Tìm hiểu về mạng CAN (Control Area Network) 2. Sơ lược lịch sử mạng CAN CAN là một giao thức giao tiếp nối tiếp hỗ trợ mạnh cho những hệ thống điều khiển phân bố theo thời gian thực với độ ổn định, bảo mật và khả năng chống nhiễu cực kì tốt. CAN được Bosch Gmbh phát triển từ năm 1983, sau đó đã chính thức ra mắt vào năm 1986 và được công nhận bởi SAE hiệp hội các kĩ sư ô tô Mĩ, có trụ sở đặt tại Detroit Michigan. Vào những năm đầu tiên sau khi ra mắt, Intel và Philips là 02 nhà sản xuất đầu tiên sản xuất chip xử lý cho CAN (1987) và Mercedes-Benz W140 là chiếc ô tô thương mại đầu tiên được trang bị CAN.

Ngày nay, gần như toàn bộ các dòng ô tô hiện đại đều có hỗ trợ CAN và hầu như tất các các nhà sản xuất chip lớn trên thế giới đều sản xuất ra các dòng chip có tích hợp CAN như Siemens, Motorola, NEO, Infineon, Mitsubishi, TI… Ngoài nền công nghiệp ô tô, CAN còn được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp tự động hóa, đóng tàu, tàu ngầm, nông nghiệp, y khoa,. nhờ vào các ưu điểm về độ tin cậy của mình. Từ lúc giới thiệu lần đầu đến hiện tại, Bosch đã cho ra rất nhiều phiên bản khác nhau cho CAN, nhưng đại ý có thể tóm lại đơn giản như sau:  CAN 1.0 A: CAN tiêu chuẩn, 11-bit ID.0 B tiêu chuẩn: CAN tiêu chuẩn, 11-bit ID.0 B mở rộng: CAN mở rộng, 29-bit ID. Vào năm 1993, hiệp hội ISO đã phát hành tài liệu tiêu chuẩn hóa cho CAN thông qua ISO 11898 (Cần lưu ý rằng tiêu chuẩn của ISO không phải là toàn bộ các đặc tính của CAN mà Bosch quy định).

 ISO 11898-1: CAN lớp liên kết – dữ liệu _ CAN tốc độ cao.  ISO 11898-2: CAN lớp vật lý _ CAN tốc độ cao.  ISO 11898-3: CAN lớp vật lý _ CAN tốc độ thấp. Theo sau ISO 11898, còn rất nhiều phiên bản khác nhằm tiêu chuẩn hóa CAN tính đến thời điểm hiện tại.

Chuẩn giao thức CAN Chuẩn đầu tiên của CAN là ISO 11898 nhằm định nghĩa các đặc tính của CAN, bao gồm cả CAN tốc độ cao (CAN-C) và CAN tốc độ thấp (CAN-B). Truyền tốc độ thấp CAN-B được định nghĩa trong tiêu chuẩn ISO 11898-3 và hoạt động ở tốc độ bit từ 5 đến 125kbit/s. Được ứng dụng trong phạm vi thân xe và thoải mái, tiện nghi. Tốc độ này đủ thỏa các yêu cầu về thời gian thực đòi hỏi trong phạm vi này.

Ví dụ các ứng dụng như:  Điều khiển hệ thống máy điều hòa.  Điều chỉnh ghế ngồi.  Bộ cửa sổ tự động.  Điều khiển cửa trượt trên nóc xe.

 Điều chỉnh gương.  Hệ thống đèn.  Điều khiển hệ thống lái. CAN bus cũng được thấy sử dụng trong chẩn đoán xe.

Ở đây bộ điều khiển điện tử được kết nối trực tiếp với CAN bus từ đó nhận thông tin nó cần cho việc chẩn đoán ngay tức thì. Các giao diện chẩn đoán trước đây (KWP 2000) đang trở nên ít phổ biến đi. Truyền tốc độ cao CAN-C được định nghĩa trong tiêu chuẩn ISO 11898-2 và hoạt động với tốc độ 125kbit/s đến 1Mbit/s. Do đó truyền dữ liệu có thể thỏa các yêu cầu về thời gian thực của hộp số truyền lực.

Các CAN-C bus được sử dụng cho mạng lưới của các hệ thống sau:  Hệ thống kiểm soát động cơ (Motronic cho động cơ xăng và động cơ diesel điều khiển điện tử).  Điều khiển hệ thống truyền lực bằng điện tử.  Hệ thống cân bằng điện tử (ESP).  Các cụm thiết bị.

Các mức trạng thái trội và lặn Trạng thái trội của CAN được định nghĩa: Là trạng thái mà tại đó, giá trị điện áp của bus được chủ động thay đổi bởi nút CAN muốn truyền tín hiệu. Giá trị tương ứng của trạng thái này là 0. Trạng thái lặn của CAN được định nghĩa: Là trạng thái mà tại đó, giá trị điện áp của 6 bus bị động trả về giá trị mặc định bởi điện trở cuối. Trạng thái lặn chỉ xảy ra khi không có bất kì nút CAN nào muốn truyền tín hiệu.

Giá trị tương ứng của trạng thái này là 1. Đối với CAN tốc độ cao và CAN tốc độ thấp, giá trị của 2 trạng thái trội và lặn là hoàn toàn khác nhau, nhưng cách định nghĩa vẫn giống nhau. Điện áp hoạt động trên hai dây CAN_H và CAN_L CAN tốc độ cao Hình 2. Điện áp hoạt động trên hai dây CAN_H và CAN_L CAN tốc độ thấp 7 Bảng 2.

Giá trị điện áp trên hai dây CAN_H và CAN_L CAN tốc độ cao CAN tốc độ thấp CAN H CAN L CAN H CAN L Tốc độ 125 kb/s đến 1 Mb/s 125 kb/s Trạng thái trội 0 3.5 V 4V 1V Trạng thái lặn 1 2.25 V Mức điện áp 5V 5V Cable 2 x 120 Ω Mắc điện trở lại từng nút Độ lệch điện áp Độ lệch tối thiểu là Điện áp vi sai trội > 2.