Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ tư (Công nghiệp 4.0) phát triển mạnh mẽ dựa trên các yếu tố cốt lõi gồm Trí tuệ nhân tạo (AI), Vạn vật kết nối (Internet of Things - IoT) và Dữ liệu lớn (Big Data). Xu hướng này thúc đẩy quá trình tự động hóa thay thế các thao tác điều khiển thủ công của con người trong sản xuất và đời sống xã hội, thể hiện qua các ứng dụng như máy bán nước tự động, bãi đỗ xe thông minh, nhà tự động và robot tự hành. Cùng với đó, hệ thống định vị toàn cầu (GPS) đã trở thành công cụ quan trọng phục vụ các nhu cầu vận chuyển, logistics, giám sát hành trình và hoạt động tìm kiếm cứu nạn.

Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu các hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị từ xa qua GPS và mạng không dây cho phép mở rộng khả năng tiếp cận các khu vực có điều kiện khắc nghiệt hoặc tiềm ẩn nguy hiểm cho con người. Đề tài "Thiết kế và thi công mô hình xe điều khiển định vị GPS" được thực hiện nhằm tiếp cận nền tảng công nghệ IoT, nghiên cứu khả năng giao tiếp và xử lý dữ liệu giữa người dùng và thiết bị thông qua mạng không dây.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài gồm:

  1. Thiết kế và xây dựng hệ thống gồm hai mô hình xe điều khiển từ xa qua mạng Wi-Fi kết nối với ứng dụng điều khiển trên thiết bị di động.
  2. Giám sát vị trí tọa độ của xe và người dùng trên bản đồ vệ tinh thông qua hai phương pháp định vị: sử dụng module GPS phần cứng rời và sử dụng GPS tích hợp trên điện thoại thông minh (smartphone).
  3. Xây dựng chức năng quản lý năng lượng hoạt động (% dung lượng pin) của hệ thống xe theo thời gian thực.
  4. Thiết lập hai chế độ vận hành: điều khiển bằng tay (Manual) và điều khiển tự động (Auto) kết hợp khả năng phát hiện vật cản.
  5. Điều chỉnh và kiểm soát tốc độ chạy của xe thông qua phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình phần cứng xe điều khiển sử dụng vi điều khiển NodeMCU ESP8266, module định vị GPS NEO-6 V2, GPS tích hợp smartphone, module cảm biến siêu âm HC-SR04, mạch đo điện áp 0–25VDC, mạch điều khiển động cơ cầu H L298N và ứng dụng giao diện Blynk.
  • Phạm vi không gian: Thử nghiệm trong phạm vi phủ sóng của mạng Wi-Fi cục bộ và vùng nhận tín hiệu vệ tinh GPS.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được thực hiện từ ngày 07/09/2018 đến ngày 15/01/2019 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng trong đề tài bao gồm:

  • Hệ thống định vị GPS (Global Positioning System): Hệ thống định vị vệ tinh do Hoa Kỳ phát triển từ năm 1995, gồm ba thành phần: phần không gian (tập hợp các vệ tinh ở độ cao khoảng 20.000 km, đảm bảo tại mọi điểm trên mặt đất luôn có tối thiểu 4 vệ tinh giám sát), phần điều khiển (các trạm mặt đất theo dõi và điều chỉnh quỹ đạo vệ tinh) và phần sử dụng (thiết bị thu nhận, giải mã tín hiệu và tính toán tọa độ). Tọa độ được xác định bằng phương pháp đo thời gian truyền sóng với đồng hồ nguyên tử. Khi dùng smartphone, hệ thống A-GPS (Assisted GPS) kết hợp thêm tín hiệu từ các trạm thu phát sóng di động để định vị vị trí với sai số khoảng 50 m.
  • Nền tảng điều khiển IoT Blynk: Nền tảng hỗ trợ kết nối phần cứng với thiết bị di động (Android và iOS) gồm ba thành phần: Blynk App (giao diện kéo thả widget), Blynk Server (máy chủ xử lý trung tâm, có thể dùng Cloud hoặc Server riêng) và Blynk Library (thư viện lập trình giao tiếp với phần cứng qua Wi-Fi, Ethernet, UART, USB).
  • Các chuẩn giao tiếp truyền dữ liệu:
    • Chuẩn giao tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit): Chuẩn truyền thông nối tiếp 2 dây (SDA truyền dữ liệu hai hướng, SCL truyền xung đồng bộ), hoạt động theo mô hình Master-Slave với các chế độ: Tiêu chuẩn (Standard mode, 100 kbps), Nhanh (Fast mode, 400 kbps) và Cao tốc (High-Speed mode, 1,7–3,4 Mbps). Mạch cần điện trở kéo lên nguồn cấp do các chân ở dạng cực máng hở (open-drain).
    • Chuẩn giao tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Chuẩn truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ qua hai đường TXD (truyền) và RXD (nhận). Khung truyền bao gồm Start bit, các bit dữ liệu (D0–D7, truyền LSB trước), bit kiểm tra chẵn lẻ (Parity bit) và Stop bit.
  • Công nghệ Web và cơ sở dữ liệu: Hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL hoạt động theo mô hình client/server và ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản HTML dùng để xây dựng trang web thu thập dữ liệu tọa độ từ smartphone.

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng:

  • Phương pháp tham khảo tài liệu: Nghiên cứu giáo trình vi xử lý vi điều khiển PIC16F887, giáo trình thực hành vi điều khiển PIC, tài liệu đồ án Robot tự hành, datasheet linh kiện và các chuẩn giao tiếp truyền thông.
  • Phương pháp khảo sát thực tế: Khảo sát các hệ thống định vị đang được ứng dụng tại các doanh nghiệp trên thị trường.
  • Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp phần cứng mạch điện tử, lập trình điều khiển trên môi trường phát triển, kiểm thử chức năng vận hành, đo đạc các thông số điện áp, khoảng cách và tọa độ địa lý.

Nguồn dữ liệu sử dụng: Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ cảm biến điện áp 0–25VDC, cảm biến siêu âm HC-SR04, chuỗi dữ liệu NMEA từ module GPS NEO-6 V2 và dữ liệu tọa độ GPS từ trình duyệt web trên smartphone.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế gồm hai mô hình xe với các cấu hình phần cứng và phương thức định vị khác nhau nhằm phục vụ mục đích kiểm chứng thực nghiệm:

Đặc tính / Khối chức năng Mô hình Xe 1 Mô hình Xe 2
Khối xử lý trung tâm NodeMCU ESP8266 (Wi-Fi 2.4 GHz, 802.11 b/g/n) NodeMCU ESP8266 (Wi-Fi 2.4 GHz, 802.11 b/g/n)
Phương thức định vị GPS Module phần cứng GPS NEO-6 V2 (Giao tiếp UART, 9600 baud) GPS tích hợp trên Smartphone (Thu thập qua Web Server)
Giao diện hiển thị tại chỗ Màn hình LCD 16x2 (Giao tiếp I2C) Màn hình hiển thị của Smartphone gắn trên xe
Cảm biến phát hiện vật cản Không trang bị Cảm biến siêu âm HC-SR04 (Tần số 40 kHz, phạm vi 2–300 cm)
Cảm biến đo điện áp nguồn Module cảm biến điện áp 0–25VDC (Cầu phân áp 30 kΩ và 7,5 kΩ) Module cảm biến điện áp 0–25VDC (Cầu phân áp 30 kΩ và 7,5 kΩ)
Khối điều khiển động cơ Module cầu H L298N (Tối đa 2A/cầu, 25W/cầu) Module cầu H L298N (Tối đa 2A/cầu, 25W/cầu)
Động cơ chấp hành 02 Động cơ DC 130 (Điện áp định mức 9VDC) 02 Động cơ DC 130 (Điện áp định mức 9VDC)
Chế độ điều khiển Điều khiển bằng tay (Manual) cố định tốc độ Điều khiển bằng tay (Manual) và Tự động (Auto) tránh vật cản
Điều khiển tốc độ Nối cố định chân ENA, ENB lên mức 5V Điều chế xung PWM qua chân ENA, ENB từ vi điều khiển

Chi tiết thiết kế các khối mạch:

  • Khối đo áp: Sử dụng mạch phân áp gồm hai điện trở $R_1 = 30\text{ k}\Omega$ và $R_2 = 7,5\text{ k}\Omega$. Tín hiệu ngõ ra kết nối với chân Analog A0 của NodeMCU ESP8266 (bộ chuyển đổi ADC 10 bit, điện áp tham chiếu 3,3V). Điện áp ngõ vào được tính toán theo công thức: $$V_{in} = V_{out} \times \frac{R_1 + R_2}{R_2} = V_{out} \times 5$$ Giá trị điện áp sau đó được quy đổi thành tỷ lệ phần trăm năng lượng pin để gửi lên máy chủ Blynk.
  • Khối định vị GPS:
    • Trên Xe 1: Module NEO-6 V2 hoạt động ở dải điện áp 2,7–5VDC, dòng tiêu thụ 50mA, pin tích hợp lưu cấu hình EEPROM, truyền dữ liệu tọa độ qua chuẩn UART (chân TX module nối RX vi điều khiển, chân RX module nối TX vi điều khiển) với tốc độ 9600 baud.
    • Trên Xe 2: Smartphone đặt trên xe truy cập vào trang web định vị (xây dựng bằng Visual Studio và MySQL). Cứ mỗi 1 giây, trang web cập nhật tọa độ từ smartphone. Vi điều khiển NodeMCU kết nối vào máy chủ web qua mạng Wi-Fi bằng giao thức HTTP, tải chuỗi dữ liệu về, bóc tách kinh độ, vĩ độ và truyền về ứng dụng Blynk.
  • Khối nguồn: Toàn bộ hệ thống sử dụng nguồn pin Li-ion 9VDC cấp trực tiếp vào ngõ vào của module L298N. IC ổn áp 7805 tích hợp trên L298N hạ áp xuống 5VDC để cấp nguồn cho NodeMCU ESP8266, màn hình LCD 16x2 và cảm biến HC-SR04. NodeMCU ESP8266 cấp nguồn 3,3VDC cho module GPS NEO-6 V2.

Dưới đây là bảng tổng hợp thông số dòng điện và điện áp hoạt động của các module trong hệ thống:

STT Tên thiết bị / Module Số lượng Điện áp hoạt động Dòng hoạt động
1 NodeMCU ESP8266 1 5 VDC 10 µA – 170 mA
2 Cảm biến siêu âm HC-SR04 1 5 VDC 15 mA
3 Mạch điều khiển động cơ L298N 1 5 – 30 VDC Lên đến 4 A (tổng 2 cầu)
4 Màn hình LCD 16x2 1 5 VDC 163 mA
5 Module GPS NEO-6 V2 1 3 – 5 VDC 67 mA
-- Tổng cộng danh định -- -- 4715 mA

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh ra đời của cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 và vai trò của các công nghệ IoT, Big Data, AI trong đời sống. Tác giả phân tích tính cấp thiết của việc tự động hóa và ứng dụng công nghệ định vị GPS trong quản lý vận chuyển, giám sát thiết bị từ xa tại các môi trường nguy hiểm. Chương này xác định rõ mục đích nghiên cứu là thiết kế hệ thống hai xe điều khiển có khả năng định vị tọa độ, quản lý mức pin và thay đổi chế độ vận hành (Auto/Manual). Ngoài ra, chương 1 giới thiệu ba phương pháp nghiên cứu chính (tham khảo tài liệu, khảo sát thực tế, thực nghiệm lắp ráp) và xác định phạm vi giới hạn của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp cơ sở lý thuyết chuyên sâu về:

  • Cấu trúc 3 phần và cơ chế tính toán tọa độ của hệ thống GPS (sử dụng 3 vệ tinh để tính tọa độ 2D, 4 vệ tinh để xác định thêm độ cao), cùng công nghệ hỗ trợ A-GPS trên điện thoại thông minh.
  • Cấu trúc và phương thức hoạt động của nền tảng IoT Blynk (Blynk App, Blynk Server, Blynk Library).
  • Nguyên lý hoạt động của các chuẩn truyền dữ liệu: chuẩn giao tiếp 2 dây I2C (cấu trúc Master-Slave, 3 chế độ tốc độ Standard/Fast/High-Speed, thanh ghi địa chỉ) và chuẩn nối tiếp UART (cấu trúc khung truyền Start-Data-Parity-Stop, tốc độ baud).
  • Tổng quan hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL và ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản HTML.
  • Thông số kỹ thuật chi tiết của 7 linh kiện/module: NodeMCU ESP8266 (bộ nhớ Flash 4MB, Wi-Fi 2.4GHz), GPS NEO-6 V2 (9600 baud), GPS tích hợp smartphone, Driver L298N (cầu H kép, dòng tải 2A/cầu, công suất tiêu tán 20W ở 75°C), cảm biến điện áp 0–25VDC, cảm biến siêu âm HC-SR04 (tần số 40kHz, dải đo 2–300cm), và màn hình LCD 16x2 kết hợp giao tiếp I2C.

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương 3 trình bày sơ đồ khối tổng thể gồm 8 khối chức năng: Khối nguồn, Khối định vị GPS, Khối đo nguồn (áp), Khối cảm biến khoảng cách, Khối xử lý trung tâm ESP8266, Khối điều khiển App Android, Khối hiển thị LCD và Khối điều khiển động cơ. Tác giả phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động, yêu cầu kỹ thuật và đưa ra các tính toán lựa chọn linh kiện cụ thể cho từng khối:

  • Thiết kế mạch phân áp $30\text{ k}\Omega / 7,5\text{ k}\Omega$ cho khối đo áp.
  • Xây dựng hai phương án định vị GPS: module phần cứng NEO-6 V2 cho Xe 1 và trang web trung gian thu thập dữ liệu từ Smartphone cho Xe 2.
  • Thiết kế mạch công suất L298N điều khiển 2 động cơ DC 130 với các cấu hình chân IN1–IN4 và chân cấp xung tốc độ ENA, ENB.
  • Thiết kế mạch cảm biến HC-SR04 phát xung TRIG và đọc thời gian phản xạ ECHO.
  • Phân tích sơ đồ cấp nguồn phân tầng sử dụng nguồn pin 9VDC kết hợp mạch ổn áp 7805 trên L298N để cung cấp các mức điện áp 5VDC và 3,3VDC cho toàn mạch.

Chương 4: Lưu đồ giải thuật và phần mềm điều khiển

Chương 4 mô tả cấu trúc phần mềm điều khiển thông qua các lưu đồ giải thuật chi tiết:

  • Lưu đồ đọc dữ liệu cảm biến điện áp: Khởi tạo biến $\rightarrow$ Đọc giá trị Analog $\rightarrow$ Tính điện áp ngõ ra theo ADC 10 bit $\rightarrow$ Tính điện áp ngõ vào theo tỉ lệ điện trở $\rightarrow$ Quy đổi ra phần trăm pin.
  • Lưu đồ đọc cảm biến khoảng cách: Khởi tạo $\rightarrow$ Kích xung mức cao tại chân TRIG $\rightarrow$ Đo độ rộng xung HIGH tại chân ECHO $\rightarrow$ Tính toán khoảng cách vật cản.
  • Lưu đồ lấy giá trị tọa độ từ Web: Khởi tạo $\rightarrow$ Kiểm tra kết nối máy chủ $\rightarrow$ Kiểm tra mã phản hồi HTTP (httpCode > 0) $\rightarrow$ Tải dữ liệu chuỗi từ Server về vi điều khiển $\rightarrow$ Tách chuỗi thành kinh độ và vĩ độ.
  • Lưu đồ điều khiển bằng tay và tự động: Tiếp nhận lệnh điều hướng (tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải, dừng) từ Blynk App ở chế độ Manual; hoặc tự động quét khoảng cách từ cảm biến HC-SR04 để chuyển hướng động cơ khi gặp vật cản ở chế độ Auto.
  • Lưu đồ chương trình chính: Khởi tạo hệ thống, thiết lập kết nối Wi-Fi và Blynk Server, liên tục đọc cảm biến, cập nhật trạng thái GPS và thực thi các khối lệnh điều khiển động cơ.

Chương 5: Kết quả và nhận xét

Chương 5 trình bày kết quả thực tế thi công phần cứng của hai mô hình xe và thiết kế giao diện điều khiển trên ứng dụng di động:

  • Lắp ráp hoàn chỉnh kết cấu cơ khí và mạch điện tử cho hai mô hình xe robot.
  • Xây dựng giao diện điều khiển hoàn chỉnh trên Blynk với các widget: màn hình hiển thị bản đồ định vị (Map), đồng hồ đo điện áp pin (Gauge), thanh trượt điều chỉnh tốc độ (Slider), nút gạt chuyển chế độ Auto/Manual và cụm phím điều hướng động cơ.
  • Đánh giá khả năng hoạt động: Hệ thống kết nối Wi-Fi ổn định, truyền nhận dữ liệu thời gian thực giữa xe và điện thoại, xe di chuyển linh hoạt và thực hiện đúng các chức năng thiết kế.

Chương 6: Kết luận và phạm vi ứng dụng

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được của đề tài, đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu. Đồng thời, tác giả chỉ ra các hạn chế kỹ thuật của mô hình hiện tại và đề xuất các giải pháp nâng cấp, mở rộng hệ thống cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Các kết quả cụ thể đạt được trong đồ án bao gồm:

  • Thi công hoàn thiện phần cứng hai mô hình xe điều khiển hoạt động trên nền tảng vi điều khiển NodeMCU ESP8266.
  • Thực hiện thành công việc thu thập và hiển thị dữ liệu tọa độ địa lý qua hai phương thức:
    • Module phần cứng GPS NEO-6 V2 (Xe 1) thu nhận tín hiệu vệ tinh, truyền qua UART tốc độ 9600 baud, hiển thị trực tiếp lên LCD 16x2 qua giao tiếp I2C và đẩy dữ liệu lên máy chủ Blynk.
    • Tích hợp smartphone trên xe (Xe 2) thu thập tọa độ A-GPS gửi lên web server (chu kỳ cập nhật 1 giây/lần), ESP8266 kết nối HTTP tải dữ liệu về xử lý và đẩy lên ứng dụng điều khiển.
  • Triển khai thành công chức năng giám sát năng lượng pin với cảm biến điện áp 0–25VDC qua bộ chuyển đổi ADC 10 bit, hiển thị trực quan mức pin dưới dạng % trên ứng dụng.
  • Điều khiển động cơ DC linh hoạt thông qua module cầu H L298N với hai chế độ: điều khiển bằng tay đa hướng (tiến, lùi, trái, phải, dừng) và chế độ tự động tránh vật cản bằng cảm biến siêu âm HC-SR04 (phát hiện trong dải 2–300 cm).
  • Thực hiện điều khiển tốc độ động cơ trên Xe 2 bằng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) thông qua thanh trượt trên giao diện Blynk.

Đóng góp của đề tài:

  • Đưa ra giải pháp so sánh thực nghiệm trực tiếp giữa hai phương pháp định vị: sử dụng module phần cứng chuyên dụng độc lập (NEO-6 V2) và tận dụng phần cứng định vị sẵn có từ smartphone thông qua giao thức truyền thông web.
  • Tích hợp thành công nền tảng IoT Blynk để hợp nhất các chức năng: định vị vị trí trên bản đồ số, đo lường dung lượng pin từ xa, điều chỉnh tốc độ và điều khiển hướng chuyển động trên một giao diện ứng dụng duy nhất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được chỉ ra trong đồ án:

  • Phạm vi hoạt động của hệ thống bị giới hạn trong khu vực phủ sóng của mạng không dây Wi-Fi cục bộ do NodeMCU ESP8266 kết nối trực tiếp với điểm phát sóng Wi-Fi.
  • Tốc độ lấy dữ liệu GPS từ smartphone qua web server có chu kỳ trễ 1 giây/lần; tín hiệu GPS từ module NEO-6 V2 phụ thuộc vào số lượng vệ tinh kết nối và dễ suy giảm chất lượng khi ở trong nhà hoặc khu vực có nhiều vật cản.
  • Việc sử dụng mạch ổn áp tuyến tính 7805 tích hợp trên module L298N để hạ áp từ pin 9VDC sinh nhiệt lượng đáng kể khi hệ thống vận hành với tải dòng lớn (công suất hao phí của L298N có thể đạt 20W ở 75°C).
  • Cảm biến siêu âm HC-SR04 chỉ phát hiện vật cản trong một góc hẹp ở phía trước, chưa hỗ trợ quét đa hướng xung quanh thân xe.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Nâng cấp phương thức truyền thông không dây bằng cách tích hợp module mạng di động (SIM GSM/GPRS/3G/4G) hoặc công nghệ truyền thông khoảng cách xa LoRa để mở rộng phạm vi điều khiển không phụ thuộc sóng Wi-Fi.
  • Trang bị thêm cơ cấu quét góc (động cơ servo xoay cảm biến siêu âm) hoặc nâng cấp cảm biến LiDAR, camera xử lý ảnh nhằm nhận diện vật cản đa hướng và tối ưu hóa đường đi.
  • Cải tiến khối nguồn bằng các mạch nguồn xung hạ áp (Buck DC-DC) hiệu suất cao thay cho IC tuyến tính 7805 nhằm giảm tổn hao năng lượng và kéo dài thời gian hoạt động của pin.
  • Tích hợp các thuật toán điều khiển thông minh và trí tuệ nhân tạo (AI) để nâng cao khả năng tự hành của xe trong các môi trường phức tạp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo phù hợp cho:

  • Sinh viên, học viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Máy tính, Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về Robot tự hành và IoT.
  • Các nhà nghiên cứu và lập trình viên hệ thống nhúng có nhu cầu tham khảo:
    • Phương pháp thu thập và xử lý chuỗi dữ liệu GPS chuẩn NMEA qua giao tiếp UART trên vi điều khiển ESP8266.
    • Kỹ thuật xây dựng hệ thống truyền nhận dữ liệu định vị trung gian từ thiết bị di động qua Web Server (Visual Studio, MySQL, HTTP request).
    • Giải pháp thiết kế mạch phân áp đo điện áp DC kết hợp bộ chuyển đổi ADC 10 bit để giám sát dung lượng pin trong các thiết bị di động.
    • Kỹ thuật phân tầng cấp nguồn từ pin 9V qua driver L298N và IC 7805 để nuôi đồng thời nhiều khối chức năng công suất khác nhau.

Câu hỏi thường gặp

1. Hai mô hình xe trong đồ án có điểm khác biệt chính nào về phương thức định vị và chế độ vận hành?

Mô hình Xe 1 sử dụng module GPS rời NEO-6 V2 giao tiếp trực tiếp với NodeMCU ESP8266 qua chuẩn UART (9600 baud), hiển thị tọa độ lên màn hình LCD 16x2 (I2C) và chỉ hỗ trợ chế độ chạy bằng tay với tốc độ cố định. Mô hình Xe 2 sử dụng GPS tích hợp từ smartphone gửi tọa độ lên máy chủ web (cập nhật 1 giây/lần), ESP8266 truy cập web lấy dữ liệu; đồng thời Xe 2 được trang bị cảm biến siêu âm HC-SR04 để chạy tự động tránh vật cản và điều chỉnh được tốc độ động cơ qua xung PWM.

2. Mạch đo điện áp nguồn pin của hệ thống được tính toán và chuyển đổi như thế nào?

Mạch đo sử dụng module cảm biến điện áp 0–25VDC gồm cầu phân áp với hai điện trở $R_1 = 30\text{ k}\Omega$ và $R_2 = 7,5\text{ k}\Omega$. Tín hiệu điện áp ngõ ra được đưa vào chân Analog A0 của ESP8266 (bộ chuyển đổi ADC 10 bit, điện áp tham chiếu 3,3V). Điện áp ngõ vào được tính toán bằng cách nhân điện áp đo được với hệ số phân áp $\frac{30 + 7,5}{7,5} = 5$, sau đó phần mềm quy đổi giá trị điện áp này thành tỷ lệ % pin để truyền về ứng dụng Blynk.

3. Nguyên lý phân tầng cấp nguồn cho các linh kiện trong hệ thống được thiết kế ra sao?

Toàn bộ hệ thống sử dụng nguồn pin Li-ion 9VDC cấp trực tiếp vào ngõ vào module L298N để nuôi động cơ. Mạch tận dụng IC ổn áp 7805 tích hợp trên L298N để tạo ra nguồn 5VDC cung cấp cho NodeMCU ESP8266, màn hình LCD 16x2 và cảm biến siêu âm HC-SR04. Sau đó, chân 3V3 của NodeMCU ESP8266 trích xuất nguồn 3,3VDC để nuôi module GPS NEO-6 V2.

4. Chu trình thu nhận và xử lý tọa độ GPS trên mô hình Xe 2 diễn ra qua các bước nào?

Đầu tiên, smartphone đặt trên xe bật GPS và truy cập vào trang web định vị (xây dựng bằng Visual Studio và MySQL). Cứ mỗi 1 giây, trang web cập nhật tọa độ từ smartphone. Vi điều khiển NodeMCU ESP8266 gửi HTTP request kết nối đến web server, kiểm tra mã phản hồi httpCode > 0 và tải chuỗi dữ liệu tọa độ về. Sau đó, vi điều khiển phân tách chuỗi thành hai giá trị kinh độ, vĩ độ riêng biệt và đẩy dữ liệu lên máy chủ Blynk để hiển thị vị trí xe trên bản đồ.

5. Module cầu H L298N đảm nhận vai trò gì và có các thông số kỹ thuật giới hạn nào?

Module L298N có chức năng khuếch đại công suất từ các chân điều khiển digital của ESP8266 để điều khiển chiều quay (tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải, dừng) và điều chỉnh tốc độ của hai động cơ DC 130. Về mặt thông số kỹ thuật, L298N hoạt động trong dải điện áp ngõ vào từ 5V đến 35V, dòng điện tải tối đa 2A cho mỗi cầu H, công suất tiêu tán tối đa 25W trên mỗi cầu và công suất hao phí 20W khi nhiệt độ đạt 75°C.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình xe điều khiển định vị GPS" của sinh viên Nguyễn Thanh Liêm và Nguyễn Tấn Đông đã hoàn thành việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công hai mô hình xe robot giám sát vị trí từ xa qua mạng Wi-Fi và nền tảng IoT Blynk. Đề tài đã xây dựng và kiểm nghiệm thực tế hai giải pháp định vị độc lập (sử dụng module phần cứng chuyên dụng NEO-6 V2 và sử dụng A-GPS từ smartphone qua máy chủ web), kết hợp khả năng đo lường năng lượng pin và điều khiển chuyển động đa chế độ. Mặc dù còn hạn chế về phạm vi phủ sóng Wi-Fi và góc quét vật cản, công trình đã cung cấp tài liệu thực nghiệm có giá trị về tích hợp phần cứng nhúng, giao tiếp truyền thông nối tiếp và kỹ thuật giám sát thiết bị từ xa qua Internet.