Đồ án: Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu xe ô tô qua cổng OBD-II

Đồ án tốt nghiệp chi tiết về thiết kế hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu xe ô tô qua cổng OBD-II, đọc thông số động cơ và hiển thị lên website.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hà Giang
• Người hướng dẫn: ThS. Huỳnh Hoàng Hà
• 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 hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu xe ô tô thông qua cổng OBD-II
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống OBD II và Ứng dụng trong Giám sát Ô tô

Hệ thống OBD-II (On-Board Diagnostics II) là tiêu chuẩn chẩn đoán trên xe hơi hiện đại, được trang bị trên hầu hết các dòng xe chở khách, ô tô và xe tải nhẹ. Đây là một công nghệ quan trọng giúp giám sát xe ô tô và theo dõi các thông số hoạt động của động cơ. Cổng OBD-II cho phép các thiết bị ngoài đọc được các giá trị được gửi từ hệ thống điều khiển của xe thông qua chuẩn giao thức truyền thông CAN (Controller Area Network). Việc tích hợp hệ thống giám sát OBD-II mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong quản lý đội xe, chẩn đoán lỗi kỹ thuật và theo dõi hiệu suất xe. Đề tài nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế và phát triển một hệ thống hoàn chỉnh để thu thập dữ liệu xe và cung cấp các giải pháp quản lý hiệu quả.

1.1. Khái niệm OBD II và Tiêu chuẩn Giao thức CAN

OBD-II là tiêu chuẩn chẩn đoán bắt buộc trên các xe được sản xuất từ năm 1996. Giao thức CAN là nền tảng truyền thông chính, cho phép truyền dữ liệu giữa các module điều khiển trong xe. Cộng giao thức OBD-II hỗ trợ đọc các mã lỗi (DTC), giám sát các thông số động cơ như tốc độ, nhiệt độ, tiêu thụ nhiên liệu. Thông qua cổng OBD-II, các thiết bị có thể kết nối và truy xuất dữ liệu xe một cách an toàn và hiệu quả.

1.2. Ứng dụng của Hệ thống Giám sát trong Quản lý Xe Hiện đại

Hệ thống giám sát xe thông qua OBD-II giúp các công ty quản lý đội xe, theo dõi tình trạng kỹ thuật và dự báo bảo trì. Các nhà khai thác có thể thu thập dữ liệu xe để phân tích hiệu suất, tối ưu chi phí vận hành. Ứng dụng định vị xe, theo dõi nhiệt độ động cơ và mức tiêu thụ nhiên liệu giúp cải thiện an toàn giao thông và hiệu suất làm việc.

II. Cấu trúc Kỹ thuật Hệ thống Giám sát OBD II

Hệ thống giám sát ô tô qua cổng OBD-II bao gồm ba thành phần chính: thiết bị đầu cuối OBD-II, module truyền thông và nền tảng xử lý dữ liệu. Thiết bị OBD-II adapter kết nối trực tiếp với cổng chẩn đoán của xe, nhận các thông tin từ hệ thống điều khiển. Module truyền thông (WiFi hoặc 4G) chuyển dữ liệu lên Cloud để lưu trữ và xử lý. Nền tảng này được thiết kế để đọc các dữ liệu xe như tốc độ, nhiệt độ động cơ, tiêu thụ nhiên liệu, và cảnh báo lỗi. Hệ thống cũng tích hợp chức năng định vị xe sử dụng GPS và hiển thị trên giao diện website. Kiến trúc này đảm bảo lưu trữ dữ liệu an toàn, xử lý nhanh chóng và cung cấp thông tin thực thời cho người quản lý.

2.1. Thiết bị OBD II Adapter và Giao diện Kết nối

Adapter OBD-II là thiết bị cầu nối giữa xe và hệ thống tính toán. Nó hỗ trợ các chuẩn giao thức như ISO 15765-4, SAE J1939 để giao tiếp với các module xe. Thiết bị này được lắp vào cổng OBD-II tiêu chuẩn, cho phép truyền tín hiệu CAN về bộ vi điều khiển. Thông qua adapter, hệ thống có thể đọc các mã lỗi DTC, thông số động cơ và thông tin hệ thống khác.

2.2. Module Truyền thông và Lưu trữ Dữ liệu trên Cloud

Module truyền thông (WiFi/4G/5G) chuyển dữ liệu từ adapter OBD-II lên Cloud server. Dữ liệu được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu để phân tích và truy xuất lâu dài. Hệ thống sử dụng giao thức MQTT hoặc HTTP để đảm bảo truyền thông ổn định, bảo mật dữ liệu nhạy cảm của xe.

III. Quy trình Thu thập và Xử lý Dữ liệu Xe qua OBD II

Quy trình thu thập dữ liệu xe thông qua cổng OBD-II gồm các bước: Đầu tiên, adapter OBD-II gửi yêu cầu đọc dữ liệu đến các module điều khiển của xe. Xe phản hồi bằng cách gửi các thông số hiện tại như tốc độ, nhiệt độ động cơ, tiêu thụ nhiên liệu. Dữ liệu được mã hóa theo chuẩn OBD-II PID (Parameter IDs) và truyền qua giao thức CAN. Module xử lý sẽ giải mã những thông tin này, lưu trữ trong cơ sở dữ liệu và gửi lên Cloud. Giao diện website sẽ hiển thị những dữ liệu này dưới dạng đồ thị, biểu bảng hoặc bản đồ định vị xe. Hệ thống cũng thực hiện phân tích dữ liệu để phát hiện bất thường, cảnh báo lỗi kỹ thuật và đưa ra khuyến nghị bảo trì.

3.1. Các PIDs Quan trọng trong Giám sát Động cơ và Hiệu suất

PID (Parameter Identifier) là mã định danh cho các thông số xe. Các PIDs quan trọng bao gồm: Engine Temperature (010F) - nhiệt độ động cơ, Vehicle Speed (010D) - tốc độ, Fuel Level (012F) - mức nhiên liệu, RPM (010C) - vòng quay động cơ. Mỗi PID được đọc định kỳ và lưu trữ dữ liệu để phân tích hiệu suất xe, theo dõi tuổi thọ bộ phận.

3.2. Xử lý và Hiển thị Dữ liệu trên Nền tảng Web

Nền tảng website nhận dữ liệu từ Cloud, xử lý và hiển thị định vị xe, thông số động cơ dạng thời gian thực. Giao diện cung cấp biểu đồ xu hướng, cảnh báo lỗi và lịch sử hành trình. Người quản lý có thể theo dõi nhiều xe từ một bảng điều khiển tập trung.

IV. Lợi ích và Triển vọng Phát triển Hệ thống Giám sát OBD II

Hệ thống giám sát ô tô qua cổng OBD-II mang lại nhiều lợi ích đáng kể cho quản lý xe và bảo trì. Thứ nhất, giám sát xe thực thời giúp phát hiện sớm các vấn đề kỹ thuật trước khi trở nên nghiêm trọng, giảm chi phí sửa chữa. Thứ hai, thu thập dữ liệu xe cho phép phân tích hành vi tài xế, tối ưu chi phí vận hành. Thứ ba, hệ thống định vị và theo dõi hành trình tăng cường an toàn giao thông. Hệ thống này có thể mở rộng để kết nối với IoT, hỗ trợ xe tự lái và quản lý giao thông thông minh. Trong tương lai, công nghệ OBD-II sẽ tiếp tục phát triển với khả năng chẩn đoán nâng cao, hỗ trợ xe điện và hybrid. Các ứng dụng AI có thể dự đoán bảo trì chủ động, tối ưu hiệu suất và giảm phát thải.

4.1. Lợi ích Kinh tế và Kỹ thuật của Hệ thống Giám sát

Lợi ích kinh tế: Giảm chi phí bảo trì, tối ưu tiêu thụ nhiên liệu, nâng cao tuổi thọ xe. Lợi ích kỹ thuật: Phát hiện lỗi sớm, chẩn đoán chính xác, giảm thời gian dừng xe, cải thiện hiệu suất. Các công ty quản lý đội xe có thể giám sát xe toàn bộ và lên kế hoạch bảo trì proactive.

4.2. Triển vọng Phát triển và Ứng dụng Tương lai của OBD II

Tương lai hệ thống OBD-II sẽ hướng tới kết nối 5G, hỗ trợ xe tự lái và xe điện. Sự tích hợp AI và Machine Learning sẽ cho phép dự báo bảo trì, phân tích mô hình hành vi tài xế. Tiêu chuẩn OBD3 đang phát triển sẽ cung cấp giám sát môi trường và kiểm soát phát thải nâng cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu Giới thiệu khái quát và tổng quan về tình hình nghiên cứu cũng như các mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Giới thiệu mô tả về cách hoạt động của các vi điều khiển: ESP32 và Arduino Mega 2560, các module GPS, CAN-Bus MCP2515, LCD16x02 và các chuẩn giao thức CAN, UART, SPI, I2C, OBD-II. Chương 3: Thiết kế hệ thống Trình bày các sơ đồ khối của hệ thống, sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động của các khối thành phần trong hệ thống. 3 Chương 4: Kết quả Đánh giá các chức năng, trình bày kết quả cuối cùng đạt được từ phần cứng và phần giao diện website.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Kết luận đề tài đối với những kết quả đạt được, nêu những mặt còn hạn chế từ đó đề xuất hướng phát triển cho hệ thống. 4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giao thức CAN 2.1 Tổng quan Giao thức CAN là một giao thức truyền thông được phát triển để hỗ trợ việc giao tiếp giữa các ECU (Electronic Control Units) trong ô tô, do Bosch phát triển vào năm 1983 nhằm kiểm soát ô tô và các ứng dụng công nghiệp. Đây là một giao thức có độ ổn định, bảo mật cao và đặc biệt chống nhiễu rất tốt. Ngày nay, CAN đã được chuẩn hóa thành tiêu chuẩn ISO 11898 cho truyền thông nối tiếp, hai dây.

Ban đầu được thiết kế cho ngành công nghiệp ô tô, CAN hiện nay đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp tự động khác. 1 Tốc độ truyền và chiều dài của CAN tiêu chuẩn.1 mô tả CAN bus có tốc độ truyền cao nhất lên đến 1 Mbps với chiều dài bus tối đa 40 mét. Tuy nhiên, khi chiều dài bus tăng lên, tốc độ truyền sẽ giảm. Trong công nghiệp, CAN bus thường được cấu hình ở tốc độ 500kbps để đảm bảo sự ổn định và tin cậy trong quá trình truyền dữ liệu [3].

Trong đồ án của chúng tôi, chúng tôi cũng cấu hình các thông số tương tự như trong công nghiệp, sử dụng tốc độ truyền 500kbps để đảm bảo phù hợp với các tiêu chuẩn thực tế và đảm bảo hiệu suất hoạt động tốt nhất. 2 Cấu trúc khung dữ liệu CAN. Khung của giao thức CAN có hai phần: PCI (Protocol Control Information) và dữ liệu. Theo giao thức CAN, mỗi khung có thể gửi tối đa 8 byte dữ liệu.

Kích thước dữ liệu trong khung có thể thay đổi, chúng ta có thể gửi từ 0 byte đến tối đa 8 byte. Tuy nhiên, không thể gửi dữ liệu dưới dạng bit, dữ liệu luôn phải ở dạng byte. 3 Cặp dây xoắn kép CAN High và CAN Low. 4 Mức logic khi truyền thông điệp qua CAN bus.

6 CAN bus là một hệ thống sử dụng một cặp dây xoắn kép gọi là Can High và Can Low. Các dây này hoạt động dựa trên nguyên lý điện áp vi sai logic, trong đó Logic 1 được gọi là bit lặn và Logic 0 được gọi là bit trội. Việc sử dụng dây xoắn đôi giúp hệ thống miễn nhiễm với nhiễu, đảm bảo tín hiệu truyền tải ổn định và chính xác. Để phù hợp trở kháng và giảm thiểu phản xạ sóng trên đường truyền, mỗi đầu của dây được kết thúc bằng một điện trở 120 ohm.

5 Khung dữ liệu của CAN. Khung dữ liệu (Data Frame) là thành phần chính trong giao thức CAN, mang dữ liệu từ nút truyền (transmitter node) đến tất cả các nút nhận (receiver nodes), phục vụ mục đích chính của giao thức. Có hai loại khung dữ liệu chính: khung tiêu chuẩn (Standard Frame) sử dụng ID thông điệp 11 bit và khung mở rộng (Extended Frame) sử dụng ID thông điệp 29 bit, được chia thành 11 bit ID cơ bản và 18 bit mở rộng. Trong giao thức CAN, khi đề cập đến khung (frame), thông thường chúng ta nói về khung dữ liệu, loại khung chính dùng để truyền tải dữ liệu giữa các nút trong mạng.

Giao thức CAN được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong môi trường có nhiều nhiễu và yêu cầu cao về độ tin cậy, như trong các hệ thống điều khiển của xe ô tô. 7 Trong khung dữ liệu CAN tiêu chuẩn chúng bao gồm: Start of Frame (SOF): bit bắt đầu của khung dữ liệu, được sử dụng để đồng bộ hóa tất cả các nút trên mạng. Arbitration Field: - Identifier (ID): Định danh của thông điệp, có thể là 11 bit (khung tiêu chuẩn) hoặc 29 bit (khung mở rộng). - Remote Transmission Request (RTR): Bit này phân biệt giữa khung dữ liệu và khung yêu cầu dữ liệu.

Control Field: - Identifier Extension (IDE): Bit này xác định liệu định danh là 11 bit (khung tiêu chuẩn) hay 29 bit (khung mở rộng). - Reserved Bit (r): Bit dự trữ cho các mục đích tương lai. Data Length Code (DLC): 4 bit này xác định số lượng byte dữ liệu trong khung, có giá trị từ 0 đến 8. Data Field: Chứa dữ liệu thực tế được truyền, có thể từ 0 đến 8 byte.

CRC Field: - CRC Sequence: Chuỗi kiểm tra lỗi theo chu kỳ, dùng để phát hiện lỗi trong quá trình truyền. - CRC Delimiter: Bit cố định theo sau chuỗi CRC. ACK Field: - ACK Slot: Nút nhận sẽ ghi đè bit này nếu nó nhận được khung mà không có lỗi. 8 - ACK Delimiter: Bit cố định theo sau slot ACK.

End of Frame (EOF): Một chuỗi 7 bit đánh dấu sự kết thúc của khung dữ liệu. Đối với dạng khung CAN mở rộng (CAN extend) ở Arbitration Field gồm có Base ID, Extended ID, SRR (Substitute Remote Request), IDE (Identifier Extension), RTR (Remote Transmission Request), và ở Control Field gồm có r0, r1, DLC (Data Length Code). - ID (Identifier): Tổng cộng 29 bit, được chia thành hai phần: + Base ID: 11 bit đầu tiên. + Extended ID: 18 bit tiếp theo.

- SRR (Substitute Remote Request): Sử dụng để duy trì tính tương thích ngược với khung tiêu chuẩn. Để truyền được lượng dữ liệu lớn hơn 8 byte theo tiêu chuẩn CAN, chúng ta có thể sử dụng hai phương pháp: CAN FD và CAN TP.2 Nguyên lý hoạt động Hình 2. 6 Cấu trúc của một bộ điều khiển CAN.6 mô tả cấu trúc của một bộ điều khiển CAN (CAN Controller) độc lập, bao gồm ba thành phần chính: CAN Transceiver, CAN Controller, và Microcontroller. Các đường kết nối giữa các thành phần này bao gồm các tín hiệu điều khiển và trạng thái giúp các thành phần giao tiếp và phối hợp hoạt động một cách hiệu quả.

CAN Transceiver nhận và gửi tín hiệu từ CAN bus, CAN Controller xử lý và quản lý dữ liệu, và Microcontroller thực hiện các chức năng ứng dụng và xử lý bổ sung. 7 Quá trình truyền nhận dữ liệu trong hệ thống CAN Bus.7 cho thấy giao thức CAN có thể được khởi đầu bởi bất kỳ Node (ECU) nào trong mạng. Điều này có nghĩa là bất kỳ ECU nào cũng có thể bắt đầu truyền dữ liệu khi bus rảnh. Tính năng này mang lại sự linh hoạt và khả năng mở rộng cao cho hệ thống, vì 10 không có một ECU nào được chỉ định làm chủ (master) duy nhất.

Thay vào đó, tất cả các ECU đều có quyền ngang nhau trong việc truy cập và truyền thông tin trên bus. Nhờ vào cơ chế ưu tiên bit độc đáo của CAN, nếu hai hoặc nhiều ECU cố gắng truyền dữ liệu cùng lúc, thông điệp có mức ưu tiên cao hơn (CAN ID thấp hơn) sẽ được truyền trước, trong khi các ECU khác sẽ tự động chờ đến lượt mình mà không gây xung đột hoặc mất dữ liệu. Điều này giúp giao thức CAN đảm bảo độ tin cậy và hiệu quả trong việc truyền thông tin. Khi dữ liệu được nhận, ECU nhận sẽ xác nhận dữ liệu bằng cách ghi đè lên bit ACK nếu không có lỗi xảy ra.

Để phát hiện và sửa lỗi trong quá trình truyền, hệ thống sử dụng Cyclic Redundancy Check (CRC) để phát hiện lỗi, và bit ACK được sử dụng để xác minh rằng dữ liệu đã được truyền thành công. Sau khi quá trình truyền dữ liệu hoàn tất, bus trở lại trạng thái rảnh để chuẩn bị cho phiên truyền tiếp theo.3 Ưu và nhược điểm Ưu điểm: - Thiết kế đơn giản, kích thước khung hình nhỏ, dễ lắp đặt và sử dụng. - Tốc độ truyền nhanh, thời gian truyền ngắn. - Giao thức chung cho phép nhiều nhà cung cấp phát triển các module điều khiển tương thích.

- Cho phép tất cả các ECU liên lạc dữ liệu với nhau và giao tiếp có thể bắt đầu bởi bất kỳ ECU nào. Nhược điểm: - Khung dữ liệu bị giới hạn tối đa 8 byte (trong CAN tiêu chuẩn).2 CAN TP CAN-TP (CAN Transport Protocol) rất quan trọng trong việc mở rộng khả năng của giao thức CAN, bằng cách cải thiện kích thước PDU (Protocol Data Unit) rất hạn chế nên CAN TP trở thành một phần quan trọng trong giao tiếp. CAN-TP Nằm giữa PDUR (PDU Router) và phần còn lại của stack CAN, mục đích chính của CAN-TP là phân đoạn các 11 PDU lớn hơn 8 byte cho mỗi hướng truyền [4]. Điều này được thực hiện bằng cách tạo hoặc phân tích các khung tin SF (Single Frame), CF (Consecutive Frame), FF (First Frame) và FC (Flow Control) [5].

8 Tổng quan về khung truyền trong CAN TP [6]. SF (Single Frame): Chứa một thông điệp có thể vừa trong một khung tin duy nhất đủ 8 byte theo CAN tiêu chuẩn. FF (First Frame): Khung tin đầu tiên của phản hồi, chứa phần đầu tiên của phản hồi và tổng chiều dài của phản hồi. Bằng cách này, nút nhận biết rằng sẽ có thêm các thông điệp tiếp theo.

FC (Flow Control): Cấu hình một số tham số sẽ xác định cách các thông điệp còn lại sẽ được gửi. Đáng chú ý nhất là tham số ST (Separation Time) Min, chỉ định khoảng thời gian tối thiểu giữa mỗi khung tin và BS (Block Size), kích thước của mỗi khung tin liên tiếp. CF (Consecutive Frame): Được sử dụng để gửi phần còn lại của phản hồi từ ECU, theo các tham số được chỉ định trong khung tin FC. Nhờ có CAN-TP, giao thức CAN có thể truyền tải các thông điệp lớn hơn 8 byte, cải thiện đáng kể khả năng giao tiếp và truyền dữ liệu trong các hệ thống sử dụng giao thức CAN.

9 Quá trình truyền nhận của CAN TP [6]. Theo đặc tả của Autosar, CAN TP không chỉ đảm nhận việc phân đoạn và tái tạo PDU (Protocol Data Unit) mà còn cung cấp các chức năng quan trọng khác như kiểm soát luồng dữ liệu, phát hiện lỗi phân đoạn, và hủy bỏ truyền/nhận dữ liệu. Tầng vận chuyển CAN (CAN Transport Layer) tương tác với các module PduR (Protocol Data Unit Routine) và CanIf (CAN Interface) để quản lý việc truyền và nhận các thông điệp trong hệ thống CAN [4]. CAN TP chịu trách nhiệm phân đoạn và tái tạo các thông điệp lớn, cho phép PduR truyền và nhận dữ liệu qua mạng CAN.