Thiết kế và thi công hệ thống phát hiện tai nạn cho xe máy tại HCMUTE

Đồ án nghiên cứu hcmute thiết kế và thi công hệ thống phát hiện tai nạn định vị và bảo mật cho xe máy, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi

• Tác giả: Trần Quốc Huy
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Văn Ca
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Máy Tính
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Phát Hiện Tai Nạn, Định Vị Và Bảo Mật Cho Xe Máy
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT KHÓA LUẬN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• 1. TỔNG QUAN
• 1.1. Mục tiêu đề tài
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3.1. Mục đích nghiên cứu
• 1.3.2. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4.1. Phương pháp nghiên cứu trực tiếp
• 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu gián tiếp
• 1.5. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài
• 1.6. Thuận lợi và khó khăn
• 1.6.1. Thuận lợi
• 1.6.2. Khó khăn
• 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tai nạn xe máy
• 2.2. Các loại tai nạn xe máy
• 2.3. Phương pháp xác định
• 2.4. GPS (Global Positioning System)
• 2.5. SMS (Short Message Service)
• 2.6. Bluetooth Low Energy
• 3. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. Mô hình tổng quát của hệ thống
• 3.2. Yêu cầu của hệ thống
• 3.3. Sơ đồ khối của hệ thống
• 3.4. Hoạt động của hệ thống
• 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 4.1. Khối truyền thông
• 4.2. Khối định vị GPS
• 4.3. Khối cảm biến
• 4.4. Khối xử lý trung tâm
• 4.4.1. Thuật toán điều khiển
• 4.5. Lưu đồ toàn hệ thống
• 4.6. Lưu đồ xử lý GPS NEO-6M
• 4.7. Mô hình máy trạng thái hữu hạn
• 5. THIẾT KẾ PHẦN MỀM
• 5.1. Xây dựng ứng dụng di động
• 6. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
• 6.1. Quy trình thử nghiệm
• 6.2. Các kết quả thử nghiệm
• 7. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 7.1. Các kết quả đã đạt được
• 7.2. Chưa đạt được
• 7.3. Hướng phát triển
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hệ thống phát hiện tai nạn xe máy tại HCMUTE

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống phát hiện tai nạn, định vị và bảo mật cho xe máy" tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) tập trung vào việc phát triển một hệ thống tích hợp nhiều công nghệ để giải quyết vấn đề tai nạn giao thông và trộm cắp xe máy. Hệ thống phát hiện tai nạn xe máy là trọng tâm, sử dụng cảm biến gia tốc (MPU6050) và bộ lọc Kalman để xác định chính xác các trường hợp tai nạn, loại trừ các trường hợp dừng đột ngột thông thường. Cảm biến phát hiện tai nạn xe máy đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu. Hệ thống phân tích dữ liệu từ các cảm biến để xác định tai nạn. Nghiên cứu tập trung vào việc xử lý dữ liệu từ các cảm biến gia tốc, cảm biến góc nghiêng để phát hiện va chạm và ngã xe. Phần mềm phát hiện tai nạn xe máy được phát triển để xử lý dữ liệu này một cách hiệu quả. Nghiên cứu hệ thống an toàn xe máy tại HCMUTE mang tính ứng dụng cao, giải quyết vấn đề thực tiễn.

1.1 Xử lý dữ liệu cảm biến và thuật toán phát hiện tai nạn

Một phần quan trọng của đồ án là việc xử lý dữ liệu từ các cảm biến phát hiện tai nạn xe máy. Đồ án sử dụng cảm biến gia tốc MPU6050 để thu thập dữ liệu gia tốc. Dữ liệu này, thường bị nhiễu, được xử lý bằng bộ lọc Kalman để cải thiện độ chính xác. Thuật toán điều khiển dựa trên ngưỡng gia tốc và góc nghiêng được thiết lập để xác định khi nào một tai nạn xảy ra. Việc kết hợp dữ liệu từ nhiều cảm biến giúp tăng độ tin cậy của hệ thống. Nghiên cứu hệ thống an toàn xe máy này sử dụng mô hình máy trạng thái hữu hạn để phân loại các trạng thái của xe máy (đang chạy, dừng, tai nạn). Mô hình dự đoán tai nạn xe máy được xây dựng để mô phỏng và đánh giá hiệu quả của thuật toán. Phân tích dữ liệu tai nạn xe máy là cơ sở để tinh chỉnh thuật toán và nâng cao độ chính xác của hệ thống.

1.2 Ứng dụng công nghệ trong phát hiện tai nạn và bảo mật

Đồ án ứng dụng nhiều công nghệ phát hiện tai nạn tiên tiến. Công nghệ IoT trong an toàn xe máy được tích hợp qua việc sử dụng module SIM808 để gửi tin nhắn báo động khi tai nạn xảy ra. Ứng dụng di động an toàn xe máy cho phép người dùng theo dõi vị trí xe máy và nhận thông báo. Hệ thống sử dụng công nghệ AI trong an toàn xe máy để nâng cao độ chính xác của hệ thống. Việc kết nối với mạng di động đảm bảo khả năng báo động ở phạm vi rộng. Hệ thống định vị xe máy sử dụng module GPS NEO-6M để xác định vị trí chính xác của xe. Bảo mật dữ liệu xe máy được đảm bảo thông qua việc sử dụng mật khẩu và mã hóa dữ liệu. An toàn thông tin xe máy là một yếu tố quan trọng được xem xét kỹ lưỡng trong thiết kế.

II. Bảo mật và định vị xe máy

Bên cạnh chức năng phát hiện tai nạn, đồ án cũng tập trung vào hệ thống bảo mật xe máy. Hệ thống chống trộm xe máy thông minh sử dụng kết hợp giữa ứng dụng di động và module Bluetooth để xác thực người dùng. Hệ thống giám sát xe máy cho phép theo dõi vị trí xe máy trên bản đồ. An ninh xe máy thông minh được đảm bảo nhờ tính năng định vị chính xác. Phần mềm phát hiện tai nạn xe máy cũng tích hợp chức năng cảnh báo trộm cắp. Hệ thống định vị GPS đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và bảo vệ xe. Dữ liệu lớn trong an toàn xe máy có thể được thu thập và phân tích để cải thiện hệ thống.

2.1 Thiết kế hệ thống bảo mật và ứng dụng di động

Hệ thống bảo mật xe máy được thiết kế để ngăn chặn trộm cắp. Ứng dụng di động cho phép người dùng khóa/mở khóa xe từ xa. Phần mềm bảo mật xe máy được xây dựng với nhiều lớp bảo mật. Hệ thống định vị GPS cung cấp vị trí của xe máy trong thời gian thực. Ứng dụng di động giao tiếp với hệ thống qua Bluetooth. An toàn giao thông xe máy HCMUTE được nâng cao nhờ hệ thống này. Dữ liệu lớn trong an toàn xe máy có thể giúp phân tích các mẫu trộm cắp và cải thiện hệ thống bảo mật. Phát triển hệ thống bảo mật xe máy là một thách thức kỹ thuật nhưng mang lại giá trị thực tiễn cao.

2.2 Kết nối và giao tiếp giữa các module

Đồ án mô tả chi tiết cách thức kết nối và giao tiếp giữa các module khác nhau. Chuẩn giao tiếp UART và chuẩn giao tiếp TWI được sử dụng để truyền dữ liệu giữa các module. Module SIM808 đảm nhiệm việc gửi tin nhắn báo động. Module Bluetooth 4.0 cho phép kết nối với ứng dụng di động. Module GPS NEO-6M cung cấp dữ liệu về vị trí. Việc thiết kế mạch điện và lập trình phần mềm đảm bảo khả năng hoạt động ổn định của hệ thống. Hệ thống cảnh báo tai nạn xe máy phụ thuộc vào sự phối hợp hoạt động nhịp nhàng giữa các module này. Giải pháp an toàn xe máy tại HCMUTE này thể hiện sự tích hợp hiệu quả của nhiều công nghệ hiện đại. Phát triển hệ thống bảo mật xe máy nhằm mục đích cải thiện an ninh và an toàn cho người sử dụng.

III. Đánh giá và Kết luận

Đồ án trình bày kết quả thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của hệ thống. Thực trạng tai nạn giao thông xe máy tại HCMUTE được phân tích để đánh giá tính thực tiễn của hệ thống. Đề án an toàn xe máy HCMUTE đạt được nhiều kết quả tích cực. Nghiên cứu sinh HCMUTE và hệ thống an toàn. Giảm thiểu tai nạn giao thông xe máy là mục tiêu chính của đồ án. An toàn xe máy được cải thiện đáng kể nhờ hệ thống này. Trường Đại học HCMUTE và an toàn xe máy. Nghiên cứu hệ thống an toàn xe máy này góp phần vào sự phát triển của công nghệ an toàn giao thông.

3.1 Kết quả thử nghiệm và hiệu quả hệ thống

Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Hệ thống phát hiện tai nạn có độ chính xác cao. Hệ thống giám sát xe máy hoạt động hiệu quả. Ứng dụng di động dễ sử dụng và thân thiện. Hệ thống định vị xe máy đạt độ chính xác mong muốn. Báo cáo đồ án đánh giá chi tiết hiệu quả của hệ thống. Giải pháp an toàn xe máy tại HCMUTE được đánh giá cao về tính khả thi và hiệu quả. Nghiên cứu hệ thống an toàn xe máy này mang lại giá trị thiết thực cho xã hội.

3.2 Hướng phát triển trong tương lai

Đồ án đề xuất các hướng phát triển trong tương lai. Cải tiến thuật toán phát hiện tai nạn để tăng độ chính xác. Tích hợp thêm các tính năng như cảnh báo tốc độ, cảnh báo khoảng cách an toàn. Phát triển ứng dụng di động với nhiều tính năng hơn. Nghiên cứu hệ thống an toàn xe máy còn nhiều tiềm năng phát triển. Hệ thống định vị xe máy có thể được cải tiến bằng cách sử dụng công nghệ định vị chính xác hơn. Dữ liệu lớn trong an toàn xe máy có thể được sử dụng để xây dựng các mô hình dự báo tai nạn. An toàn xe máy là một lĩnh vực cần được nghiên cứu và phát triển liên tục.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Theo thống kê được nhóm tác giả trích dẫn vào năm 2016, Việt Nam sở hữu hơn 45 triệu môtô, xe máy các loại và là quốc gia có số lượng phương tiện này đứng thứ hai trên thế giới. Hiện tại, khoảng 85% dân số Việt Nam sử dụng xe máy làm phương tiện di chuyển chính và mưu sinh hàng ngày. Mật độ lưu thông dày đặc kéo theo tình trạng tai nạn giao thông liên quan đến xe máy chiếm tỷ lệ áp đảo trong tổng số các vụ tai nạn đường bộ. Nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ các hành vi vi phạm như chạy quá tốc độ, không đội mũ bảo hiểm hoặc điều khiển phương tiện khi đã sử dụng rượu bia, dẫn đến thiệt hại nặng nề về kinh tế và sức khỏe xã hội. Song song với đó, tình hình an ninh trật tự phức tạp với sự gia tăng của các vụ trộm cắp, cướp giật xe máy đặt ra nhu cầu cấp thiết về các giải pháp bảo vệ tài sản và tính mạng cho người tham gia giao thông. Mặc dù trên thị trường đã có một số thiết bị an toàn, các giải pháp hỗ trợ hoàn chỉnh thường có chi phí đắt đỏ và kỹ thuật phức tạp, khó tiếp cận đối với đa số người lao động phổ thông tại Việt Nam.

Trước thực trạng đó, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã thực hiện đề tài nhằm thiết kế một hệ thống tích hợp ba chức năng: phát hiện tai nạn, định vị vị trí và bảo mật chống trộm/cướp cho xe máy với chi phí hợp lý.

Mục tiêu cụ thể của đề tài được xác định gồm 4 nhiệm vụ:

1. Giám sát vị trí tọa độ của xe máy theo thời gian thực.
2. Xác định chính xác các tình huống tai nạn xảy ra đối với xe máy.
3. Gửi vị trí tọa độ của xe máy đến điện thoại di động thông qua tin nhắn SMS khi có yêu cầu hoặc khi phát hiện tai nạn.
4. Thực hiện chức năng bảo mật, chống trộm và chống cướp xe máy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

• Đối tượng nghiên cứu: Các thành phần phần cứng cấu thành hệ thống (vi điều khiển, các module vi mạch); hệ thống thuật toán xử lý tín hiệu từ cảm biến gia tốc và góc nghiêng để nhận diện trạng thái tai nạn; module định vị GPS NEO-6M; module truyền thông GSM SIM808; module kết nối không dây Bluetooth 4.0 UART CC2541 AT-09.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Ứng dụng mô hình máy trạng thái hữu hạn (Finite State Machine - FSM) để phân loại trạng thái vận hành và nhận diện tai nạn xe máy.
  • Lập trình nhúng điều khiển thu nhận dữ liệu tọa độ từ module GPS NEO-6M và xử lý gửi/nhận tin nhắn văn bản thông qua module SIM808.
  • Lập trình ứng dụng di động trên nền tảng Android phục vụ giao tiếp điều khiển và xác thực bảo mật cho phương tiện.
  • Lập trình giao tiếp không dây tầm ngắn giữa ứng dụng Android và hệ thống phần cứng trên xe máy qua chuẩn kết nối Bluetooth 4.0 Low Energy (BLE).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài tập trung vào việc nhận diện động học tai nạn xe máy, công nghệ định vị vệ tinh, viễn thông di động và thuật toán xử lý tín hiệu số:

• Đặc trưng tai nạn xe máy: Các dạng va chạm thực tế bao gồm va chạm cùng chiều/ngược chiều, va chạm vật thể cố định (đá, rào chắn, cây cối), va chạm người/động vật và mất kiểm soát dẫn đến ngã xe. Các tình huống này đều tạo ra xung lực hoặc sự biến thiên đột ngột về gia tốc và góc nghiêng. Hệ thống sử dụng cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển để đo đạc sự thay đổi vị trí không gian nhằm phân biệt sự cố thực tế với các thao tác dừng xe thông thường (như dừng đèn đỏ).
• Hệ thống định vị toàn cầu (GPS): Sử dụng hệ thống định vị của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ dựa trên mạng lưới 24 vệ tinh nhân tạo, hoạt động tại dải tần L1 dân sự (1575.43 MHz trong dải UHF). Máy thu tính toán tọa độ hai chiều (kinh độ, vĩ độ) khi nhận tín hiệu từ tối thiểu 3 vệ tinh và tọa độ ba chiều (thêm cao độ) khi nhận từ tối thiểu 4 vệ tinh. Cấu trúc GPS gồm 3 mảng: mảng không gian, mảng điều khiển mặt đất và mảng người sử dụng.
• Dịch vụ tin nhắn ngắn (SMS) và mạng di động: Truyền dữ liệu tọa độ dưới dạng liên kết web qua giao thức GSM tiêu chuẩn bằng các lệnh tập lệnh AT chuyên dụng.
• Chuẩn truyền thông không dây Bluetooth Low Energy (BLE): Chuẩn Bluetooth từ phiên bản 4.0 trở lên, tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng cho các ứng dụng điều khiển tầm ngắn, hoạt động ổn định trong phạm vi 10 mét.
• Bộ lọc Kalman (Kalman Filter): Thuật toán xử lý tín hiệu đệ quy dùng để lọc sạch tín hiệu nhiễu từ cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển MPU6050. Bộ lọc ước lượng trạng thái thực của hệ thống dựa trên hai bước:
  • Bước dự đoán (Predict): Tính toán trạng thái dự báo $x_{k|k-1} = F x_{k-1|k-1} + B u_k$ và ma trận hiệp phương sai sai số $P_{k|k-1} = F P_{k-1|k-1} F^T + Q_k$.
  • Bước cập nhật (Update): Tính độ chênh lệch đo lường $\hat{y}k = z_k - H \hat{x}{k|k-1}$, hiệp phương sai đo lường $S_k = H P_{k|k-1} H^T + R$, hệ số khuếch đại Kalman $K_k = P_{k|k-1} H^T S_k^{-1}$, sau đó cập nhật vector trạng thái $\hat{x}{k|k} = \hat{x}{k|k-1} + K_k \hat{y}k$ và ma trận hiệp phương sai sai số $P{k|k} = (I - K_k H) P_{k|k-1}$.
• Chuẩn giao tiếp phần cứng: UART (truyền nhận nối tiếp bất đồng bộ với các tham số BaudRate, Start bit, Data bit, Parity bit, Stop bit) và TWI/I2C (giao tiếp đồng bộ 2 dây SDA và SCL, quản lý tối đa 128 thiết bị với các điều kiện START, STOP, Repeated START và General Call).

Phương pháp nghiên cứu gồm hai hướng tiếp cận:

• Phương pháp trực tiếp: Chuyển đổi dữ liệu và tiến trình tính toán của bài toán sang mã nguồn chương trình bằng ngôn ngữ C; chia nhỏ bài toán tổng thể thành các cấu trúc điều khiển cơ bản (tuần tự, rẽ nhánh, lặp) trên vi điều khiển.
• Phương pháp gián tiếp: Áp dụng phương pháp thử - sai kết hợp các nguyên lý vét cạn, nguyên lý mắt lưới, giảm độ phức tạp và thu gọn không gian tìm kiếm để tinh chỉnh ngưỡng giá trị phát hiện tai nạn và xử lý lỗi phần cứng.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module phần cứng kết hợp ứng dụng phần mềm điều khiển trên điện thoại thông minh, liên kết với nhau qua các giao thức truyền thông tiêu chuẩn.

Khối chức năng	Linh kiện / Công nghệ	Thông số kỹ thuật và vai trò trong hệ thống
Xử lý trung tâm	Vi điều khiển AVR ATmega2560	Vi điều khiển 8-bit RISC, thạch anh 16 MHz, hỗ trợ 4 kênh UART phần cứng, 1 kênh I2C; điều khiển toàn bộ luồng hoạt động của hệ thống.
Cảm biến	MPU6050	Tích hợp cảm biến gia tốc (gia tốc đo $\pm 2g, \pm 4g, \pm 8g, \pm 16g$) và con quay hồi chuyển ($\pm 250, \pm 500, \pm 1000, \pm 2000^\circ/\text{s}$); giao tiếp qua I2C.
Định vị	Module GPS NEO-6M	Điện áp 5V DC, dòng tiêu thụ 55 mA; thu nhận dữ liệu vệ tinh NMEA và truyền tọa độ qua chuẩn UART.
Truyền thông GSM	Module SIM808	Điện áp 5V - 18V DC, mức logic 3.3V TTL, hỗ trợ 4 băng tần (850/900/1800/1900 MHz); gửi/nhận SMS qua UART bằng tập lệnh AT.
Truyền thông BLE	Module Bluetooth CC2541 AT-09	Chuẩn BLE 4.0, điện áp 5V DC (logic 3.3V), dòng nghỉ 400 $\mu$A - 1.5 mA, dòng hoạt động 8.5 mA; giao tiếp UART với vi điều khiển.
Nguồn & Ngoại vi	Pin LiPo 12V DC, LM2596, Relay, Còi BUZZER	Nguồn 12V cấp cho SIM808, hạ áp qua LM2596 xuống 5V cấp cho vi điều khiển và cảm biến; Relay đóng cắt động cơ; BUZZER phát tín hiệu âm thanh.
Phần mềm di động	Android Studio 2.3 (Java, XML)	Ứng dụng Android thực hiện quét thiết bị, xác thực mật khẩu mở khóa xe, đổi mật khẩu và giám sát khoảng cách chống cướp.

Quy trình giao tiếp giữa vi điều khiển và module SIM808 sử dụng tập lệnh AT định dạng tin nhắn văn bản:

• AT+CMGF=1\r\n: Thiết lập chế độ tin nhắn văn bản (Text mode).
• AT+CMGS="Số_điện_thoại"\r\n: Lệnh khởi tạo gửi tin nhắn đến số chỉ định.
• AT+CMGR=x\r\n: Đọc nội dung tin nhắn tại vị trí bộ nhớ x.
• AT+CMGDA="DEL ALL"\r\n: Xóa toàn bộ tin nhắn trong hộp thư để giải phóng bộ nhớ đệm.

Đặc điểm đấu nối phần cứng: Đường truyền UART giữa vi điều khiển và SIM808 nối thẳng chân Tx-Tx và Rx-Rx do cấu trúc chân của module đã được nhà sản xuất chuyển đổi bên trong; trong khi đó module Bluetooth AT-09 và GPS NEO-6M nối chéo chân Tx-Rx thông thường. Toàn bộ mạch điều khiển trung tâm được thiết kế trên sơ đồ mạch in (PCB) một lớp tự gia công.

Thuật toán nhận diện trạng thái xe dựa trên mô hình máy trạng thái hữu hạn (FSM) gồm 6 trạng thái xử lý dữ liệu từ cảm biến MPU6050:

1. Trạng thái đứng yên: Xe vừa khởi động hoặc dừng hẳn khi đang lưu thông.
2. Trạng thái rung: Trạng thái chuyển tiếp nhằm loại bỏ trường hợp người dùng làm đổ xe khi đang dừng mà không phải tai nạn giao thông (điều kiện kiểm tra millis() - time > 1500).
3. Trạng thái chạy: Xe đang di chuyển bình thường trên đường.
4. Trạng thái kiểm tra ngừng xe: Phát hiện dấu hiệu xe dừng đột ngột trong khi đang ở trạng thái chạy.
5. Trạng thái dừng: Xác lập khi trạng thái kiểm tra ngừng xe kéo dài đủ 3 giây liên tục.
6. Trạng thái té ngã: Xác định tai nạn khi xe đang dừng sau di chuyển và trong khoảng thời gian 3 giây ghi nhận đồng thời hai điều kiện: gia tốc bé hơn 10 và độ nghiêng trung bình của 2 trục lớn hơn $20^\circ$.

Cơ chế vận hành bảo mật và cứu hộ:

• Bảo mật và chống trộm: Khi mở ứng dụng Android, người dùng kết nối Bluetooth với xe, nhập mật khẩu và bấm "Unlock". Nếu mật khẩu đúng, còi BUZZER kêu 3 tiếng ngắn, hệ thống đóng relay cho phép đề nổ bằng nút START. Nếu sai mật khẩu, BUZZER kêu 1 tiếng dài kéo dài 1 giây và khóa động cơ. Người dùng có thể đổi mật khẩu qua giao diện "Change Password" (yêu cầu nhập đúng "Old Password" và "New Password").
• Chống cướp: Khi xe đang nổ máy di chuyển, nếu khoảng cách giữa người dùng (giữ điện thoại) và xe vượt quá phạm vi phủ sóng Bluetooth (khoảng 5 đến 10 mét), kết nối BLE bị ngắt. Vi điều khiển lập tức ngắt relay động cơ (isMotorRunning = false), buộc xe dừng lại.
• Cứu hộ tai nạn: Khi FSM chuyển sang trạng thái té ngã, hệ thống tự động khóa động cơ và trích xuất tọa độ GPS hiện tại từ NEO-6M, sau đó kích hoạt SIM808 gửi tin nhắn chứa đường dẫn Google Maps trực tiếp đến số điện thoại người thân đã được cài đặt sẵn. Ngoài ra, người thân có thể gửi tin nhắn theo cú pháp quy định đến SIM trên xe để nhận lại SMS chứa tọa độ định vị.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ số lượng hơn 45 triệu xe máy tại Việt Nam vào năm 2016 và tỷ lệ tai nạn giao thông cao. Tác giả khảo sát tình hình nghiên cứu thiết bị chống trộm trong nước (các sản phẩm thương mại như "Fox" của Pitech, "iKY Bike" của Công ty Cổ phần Công nghệ Tiện ích Thông minh) và các hệ thống khóa thông minh của các hãng Honda, Yamaha ở nước ngoài. Trên cơ sở đó, chương xác định mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, phương pháp luận (trực tiếp và gián tiếp), cùng các thuận lợi về cơ sở vật chất của Khoa Đào tạo Chất lượng cao và khó khăn về mặt thời gian khi phải thực hiện song song với kỳ thực tập tốt nghiệp tại doanh nghiệp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 hệ thống hóa nền tảng lý thuyết phục vụ việc chế tạo thiết bị. Tác giả phân loại các trường hợp tai nạn xe máy và các phương pháp cảm biến ghi nhận tác động (gia tốc, góc nghiêng, va đập, con quay hồi chuyển). Các công nghệ cốt lõi được làm rõ nguyên lý hoạt động gồm: cấu tạo và nguyên lý định vị của hệ thống GPS (24 vệ tinh, tần số L1 1575.43 MHz dải UHF); dịch vụ tin nhắn SMS qua mạng GSM; công nghệ Bluetooth Low Energy (Bluetooth 4.0 trở lên) với ưu điểm tiết kiệm năng lượng so với Bluetooth Classic; lý thuyết bộ lọc số và thuật toán bộ lọc Kalman đệ quy xử lý sai số cảm biến; cuối cùng là nguyên lý hoạt động của hai chuẩn truyền thông nối tiếp UART và TWI (nền tảng I2C).

Chương 3: Phân tích và thiết kế hệ thống

Chương 3 mô tả chi tiết mô hình tổng quát, sơ đồ khối và thiết kế kỹ thuật của hệ thống. Tác giả phân tích và đưa ra lý do lựa chọn từng linh kiện: vi điều khiển ATmega2560 (8-bit RISC, 16 MHz, 4 UART, 1 I2C), module SIM808 (kích thước 24 x 24 x 2.6 mm, 4 băng tần), module Bluetooth CC2541 AT-09 (dòng nghỉ 400 $\mu$A - 1.5 mA), cảm biến MPU6050 và GPS NEO-6M (dòng tiêu thụ 55 mA). Nội dung chương cung cấp sơ đồ nguyên lý kết nối giữa các khối, thiết kế mạch in một lớp, sơ đồ bố trí linh kiện thực tế và các lưu đồ giải thuật: lưu đồ toàn hệ thống, lưu đồ điều khiển SIM808 bằng tập lệnh AT, lưu đồ xử lý dữ liệu NMEA của GPS NEO-6M và lưu đồ 6 trạng thái của mô hình FSM.

Chương 4: Thiết kế phần mềm

Chương 4 tập trung vào việc xây dựng ứng dụng di động trên hệ điều hành Android bằng công cụ Android Studio 2.3 sử dụng ngôn ngữ Java và XML. Ứng dụng cung cấp giao diện người dùng bao gồm màn hình quét và ghép đôi Bluetooth ("PAIRING TO A DEVICE BELOW"), màn hình điều khiển chính với ô nhập mật khẩu ("PassWord"), nút mở khóa ("Unlock"), nút ngắt kết nối phục vụ thử nghiệm tính năng chống cướp tại chỗ ("Disconnect") và giao diện đổi mật khẩu ("Change Password") với các trường mật khẩu cũ, mật khẩu mới và nút xác nhận ("Confirm Password").

Chương 5: Kết quả thử nghiệm và đánh giá

Chương 5 trình bày quy trình thử nghiệm qua 6 bước: từ kiểm tra linh kiện đơn lẻ, thi công mẫu thử, chạy thực nghiệm đến thu thập kết quả và khắc phục lỗi. Tác giả xây dựng mô hình thực nghiệm sử dụng pin LiPo 12V DC, nút nhấn START đại diện cho nút khởi động xe máy và một chiếc quạt điện đại diện cho tải động cơ để kiểm tra việc đóng/ngắt relay. Kết quả truyền thông và quá trình chuyển đổi trạng thái của hệ thống được giám sát thông qua phần mềm Hercules trên máy tính, xác nhận hệ thống phản hồi chính xác tín hiệu còi BUZZER, mở khóa động cơ khi đúng mật khẩu, ngắt động cơ khi mất kết nối Bluetooth và gửi tin nhắn SMS chứa liên kết Google Maps khi phát hiện tai nạn.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt phần cứng và phần mềm, chỉ ra các điểm còn hạn chế do điều kiện thực nghiệm và xác định các hướng nghiên cứu nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã chế tạo thành công một mô hình mẫu thử nghiệm hoạt động ổn định với các kết quả cụ thể:

• Hoàn thiện bo mạch điều khiển trung tâm một lớp sử dụng vi điều khiển ATmega2560, tích hợp và điều khiển đồng thời các module SIM808, GPS NEO-6M, Bluetooth 4.0 CC2541 AT-09, cảm biến MPU6050, mạch hạ áp LM2596 và relay đóng ngắt.
• Ứng dụng thuật toán bộ lọc Kalman xử lý triệt để nhiễu đo lường từ cảm biến MPU6050 và triển khai thành công mô hình máy trạng thái 6 cấp, phát hiện chính xác trạng thái té ngã theo ngưỡng cài đặt (gia tốc < 10, góc nghiêng trung bình > $20^\circ$ trong 3 giây) mà không bị nhầm lẫn khi người điều khiển dừng xe thông thường.
• Thiết kế hoàn chỉnh ứng dụng Android điều khiển xe qua Bluetooth 4.0; thực hiện tính năng chống cướp xe tự động ngắt động cơ khi mất tín hiệu kết nối ở khoảng cách từ 5 mét đến 10 mét.
• Tự động trích xuất tọa độ GPS và gửi tin nhắn SMS chứa liên kết Google Maps đến số điện thoại chỉ định khi xảy ra tai nạn hoặc khi nhận được tin nhắn yêu cầu hợp lệ.

Trong quá trình phát triển, nhóm tác giả đã tiến hành thử nghiệm so sánh qua 2 mẫu thử phần cứng:

Tiêu chí so sánh	Mẫu thử nghiệm 1	Mẫu thử nghiệm 2 (Sản phẩm hoàn thiện)
Module Bluetooth	HC-05 (Chuẩn Bluetooth 2.0 Classic)	CC2541 AT-09 (Chuẩn Bluetooth 4.0 BLE)
Tiêu thụ năng lượng	Mức tiêu thụ điện năng cao	Siêu tiết kiệm điện (dòng nghỉ chỉ 400 $\mu$A - 1.5 mA)
Tín hiệu phản hồi	Không trang bị còi BUZZER	Tích hợp còi BUZZER báo hiệu trạng thái
Nguồn cấp thử nghiệm	Nguồn thử nghiệm ban đầu	Nguồn pin LiPo 12V DC thay thế ắc quy xe máy
Đánh giá hoạt động	Khó theo dõi trạng thái, tiêu tốn năng lượng	Kết nối ổn định, dễ dàng kiểm tra đóng/ngắt, đáp ứng yêu cầu

Đóng góp của đồ án là việc tích hợp thành công cả 3 tính năng thiết yếu (giám sát vị trí, cảnh báo tai nạn và chống trộm/cướp) trên một nền tảng phần cứng tự thiết kế duy nhất. Giải pháp sử dụng các module linh kiện phổ biến, giá thành thấp, phù hợp với điều kiện kinh tế của người lao động sử dụng xe máy tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản đề cập:

• Thời gian nghiên cứu và hoàn thiện đề tài bị hạn chế do trùng với lịch thực tập tốt nghiệp của sinh viên tại doanh nghiệp.
• Khó khăn trong khâu tạo điều kiện môi trường thực nghiệm thực tế, việc thử nghiệm va chạm mạnh trên xe máy đang lưu thông thực tế chưa thể triển khai toàn diện mà chủ yếu thực hiện trên mô hình thử nghiệm tải mô phỏng.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Tối ưu hóa kích thước mạch in, thu nhỏ bo mạch phần cứng để thuận tiện cho việc lắp đặt kín đáo bên trong nhiều dòng xe máy khác nhau trên thị trường.
• Nâng cấp thuật toán nhận diện tai nạn nhằm xử lý chính xác các trường hợp va chạm phức tạp hơn trong thực tế.
• Tích hợp và thử nghiệm trực tiếp hệ thống với hệ thống điện và ắc quy của các dòng xe máy thương mại thực tế ngoài đường giao thông.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo đối với:

• Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa và Cơ điện tử đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về hệ thống nhúng và IoT.
• Các nhà phát triển hệ thống giám sát phương tiện, thiết bị an ninh định vị GPS/GSM hoặc ứng dụng giao tiếp không dây BLE tầm ngắn.

Các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao trong tài liệu:

• Sơ đồ nguyên lý kết nối phần cứng và cách phối hợp mức điện áp giữa ATmega2560 (5V) với các module GSM SIM808, GPS NEO-6M, MPU6050 và Bluetooth BLE CC2541.
• Thuật toán bộ lọc Kalman đệ quy áp dụng xử lý tín hiệu cảm biến góc nghiêng và gia tốc.
• Thiết kế máy trạng thái hữu hạn (FSM) 6 trạng thái để lọc nhiễu rung lắc và nhận diện chính xác biến cố té ngã của xe.
• Cấu trúc lệnh AT điều khiển đọc, gửi và xóa tin nhắn SMS tự động trong môi trường nhúng.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống phân biệt trạng thái xe bị tai nạn té ngã với việc dừng xe thông thường dựa vào những điều kiện nào?
Hệ thống sử dụng mô hình máy trạng thái 6 cấp để giám sát. Khi xe dừng lại từ trạng thái đang chạy, hệ thống chuyển sang trạng thái kiểm tra ngừng xe trong 3 giây. Biến cố tai nạn (té ngã) chỉ được xác lập nếu trong khoảng thời gian 3 giây này, dữ liệu sau khi lọc Kalman từ cảm biến MPU6050 đồng thời thỏa mãn: gia tốc bé hơn 10 và độ nghiêng trung bình của 2 trục lớn hơn $20^\circ$. Nếu xe dừng nhưng không thỏa mãn ngưỡng nghiêng và gia tốc này (như dừng đèn đỏ hoặc ngã khi đã dừng xe - trạng thái rung), hệ thống sẽ không kích hoạt cảnh báo tai nạn.

Tính năng chống cướp xe máy hoạt động theo cơ chế kỹ thuật nào khi xe đang chạy?
Tính năng này dựa trên sự duy trì kết nối không dây Bluetooth 4.0 giữa hệ thống trên xe và ứng dụng di động trên điện thoại của chủ xe. Khi xe đang di chuyển, nếu người điều khiển bị cướp xe và khoảng cách giữa xe với điện thoại vượt quá phạm vi từ 5 mét đến 10 mét, kết nối Bluetooth sẽ bị mất. Vi điều khiển ATmega2560 lập tức phát hiện mất kết nối, chuyển cờ isMotorRunning về trạng thái false và ngắt relay điều khiển nguồn động cơ, khiến xe dừng hoạt động ngay tại chỗ.

Vì sao module SIM808 lại được kết nối chân Tx với Tx và Rx với Rx của vi điều khiển thay vì đấu chéo thông thường?
Theo phân tích phần cứng trong đồ án, thông thường chuẩn giao tiếp UART yêu cầu hai chân truyền (Tx) và nhận (Rx) của hai thiết bị phải đấu chéo nhau. Tuy nhiên, trên module mạch SIM808 mà nhóm tác giả sử dụng, nhà sản xuất đã thực hiện điều chỉnh cấu trúc chân cắm sẵn trên bo mạch của module. Do đó, để giao tiếp chính xác với vi điều khiển ATmega2560, chân Tx của vi điều khiển được nối trực tiếp vào chân Tx của module và chân Rx nối vào chân Rx.

Hệ thống cung cấp tín hiệu âm thanh BUZZER như thế nào để người dùng nhận biết các thao tác nhập mật khẩu?
Còi BUZZER được lắp trên bo mạch đóng vai trò thông báo trạng thái xác thực: khi người dùng nhập đúng mật khẩu trên ứng dụng Android và bấm mở khóa, BUZZER sẽ phát ra 3 tiếng kêu ngắn để báo hiệu hệ thống đã mở và cho phép khởi động xe. Ngược lại, nếu nhập sai mật khẩu, BUZZER sẽ phát ra 1 tiếng kêu kéo dài trong 1 giây để cảnh báo và hệ thống tiếp tục duy trì trạng thái khóa. Quy tắc âm thanh này cũng áp dụng tương tự khi thực hiện thao tác đổi mật khẩu hệ thống.

Tại sao nhóm tác giả chuyển đổi từ module Bluetooth HC-05 sang CC2541 AT-09 giữa hai lần thử nghiệm?
Trong mẫu thử nghiệm đầu tiên sử dụng Bluetooth 2.0 (HC-05), thiết bị có mức tiêu thụ điện năng lớn, không phù hợp cho hệ thống gắn trên xe máy vốn đòi hỏi tính năng giám sát liên tục. Đồng thời mẫu thử này chưa có còi BUZZER gây khó khăn cho việc theo dõi phản hồi. Việc chuyển sang module Bluetooth 4.0 CC2541 AT-09 ở mẫu thử thứ hai giúp giảm mạnh điện năng tiêu thụ (dòng ở chế độ Sleep chỉ từ 400 $\mu$A đến 1.5 mA và chế độ Active là 8.5 mA), đảm bảo kết nối ổn định và kéo dài thời gian hoạt động của nguồn điện.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống phát hiện tai nạn, định vị và bảo mật cho xe máy" đã hiện thực hóa thành công một thiết bị nhúng tích hợp đa chức năng trên vi điều khiển ATmega2560, giải quyết hiệu quả hai bài toán cấp thiết là bảo vệ tài sản và hỗ trợ cứu hộ y tế cho người tham gia giao thông. Hệ thống kết hợp hài hòa giữa phần cứng tự thiết kế (sử dụng các module SIM808, GPS NEO-6M, BLE CC2541, cảm biến MPU6050) và ứng dụng di động Android với các giải thuật tin cậy như bộ lọc Kalman và máy trạng thái hữu hạn. Mặc dù còn hạn chế về quy mô thử nghiệm thực địa và độ tinh gọn của bo mạch, kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo thực tiễn có tính ứng dụng cao cho việc phát triển các thiết bị an toàn phương tiện giao thông hai bánh tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Phân tích và thiết kế hệ thống. Thiết kế phần mềm. Kết quả thử nghiệm và đánh giá.

Kết luận và hướng phát triển. v do an MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN. ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN. iii LỜI CẢM ƠN .iv TÓM TẮT KHÓA LUẬN .vi DANH MỤC HÌNH ẢNH .ix DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .xi DANH MỤC BẢNG.

xii TỔNG QUAN. Mục tiêu đề tài. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .2 Mục đích nghiên cứu .2 Đối tượng nghiên cứu .3 Phạm vi nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu .3 Phương pháp nghiên cứu trực tiếp .3 Phương pháp nghiên cứu gián tiếp .4 vi do an 1. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài. Thuận lợi và khó khăn. Tai nạn xe máy.6 Các loại tai nạn xe máy .6 Phương pháp xác định.

Bluetooth Low Energy. Bộ lọc Kalman .10 Khái niệm bộ lọc số .10 Lý thuyết bộ lọc Kalman .10 Trạng thái của hệ thống .10 Hoạt động của bộ lọc Kalman. Chuẩn giao tiếp UART. Chuẩn giao tiếp TWI .13 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG.

Mô hình tổng quát của hệ thống .15 Yêu cầu của hệ thống .15 Sơ đồ khối của hệ thống .15 Hoạt động của hệ thống .16 vii do an 3. Thiết kế hệ thống .17 Khối truyền thông .17 Khối định vị GPS .21 Khối cảm biến .23 Khối xử lý trung tâm. Thuật toán điều khiển .28 Lưu đồ toàn hệ thống.29 Lưu đồ xử lý GPS NEO-6M.30 Mô hình máy trạng thái hữu hạn .31 THIẾT KẾ PHẦN MỀM. Xây dựng ứng dụng di động .32 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ.

Quy trình thử nghiệm. Các kết quả thử nghiệm .35 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .43 Các kết quả đã đạt được .43 Chưa đạt được. Hướng phát triển .44 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .46 viii do an DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2. Các thành phần của GPS.

Mô hình truyền thông TWI. START condition, STOP condition, Repeated condition. Sơ đồ khối của hệ thống. Sơ đồ kết nối module SIM808 và vi điều khiển.

Sơ đồ kết nối module Bluetooth với vi điều khiển. Module GPS NEO-6M. Sơ đồ kết nối module GPS NEO-6M và vi điều khiển. Cảm biến gia tốc MPU6050.

Sơ đồ kết nối cảm biến gia tốc MPU6050 với vi điều khiển. Sơ đồ chân vi điều khiển ATmega2560. Sơ đồ kết nối toàn hệ thống. Sơ đồ mạch in một lớp của hệ thống.

Mạch điều khiển trung tâm. Lưu đồ toàn hệ thống. Lưu đồ xử lý điều khiển SIM808. Lưu đồ xử lý GPS NEO-6M.

Mô hình máy trạng thái, xác định các trạng thái của xe máy .31 ix do an Hình 4. Giao diện chọn kết nối với hệ thống. Giao diện sau khi đã chọn kết nối với hệ thống. Giao diện thay đổi mật khẩu của hệ thống.

Mô hình thử nghiệm hệ thống. Hệ thống được khởi động. Mật khẩu không đúng. Mật khẩu đúng.

Chuyển đổi trạng thái từ trạng thái đứng yên. Trạng thái kiểm tra xe máy có đang dừng. Phát hiện xe dừng lại. Phát hiện tai nạn.

Hệ thống gửi tin nhắn khi phát hiện tai nạn. Ứng dụng google map được mở. Phát hiện xe bị cướp .42 x do an DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT RAM Random Access Memory RX Receive Data In TX Transmit Data Out SDA Serial Data SCL Serial Clock I2C Inter-Integrated Circuit UART Universal Asynchronous serial Reciever and Transmitter SMS Short Message Service GPS Global Positioning System xi do an DANH MỤC BẢNG Bảng 3-1.