Đồ án: Thiết kế hệ thống thông tin, quản lý xe cân bằng qua smartphone

Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống quản lý xe cân bằng qua điện thoại. Chi tiết giải pháp dùng Arduino, cảm biến và lập trình ứng dụng Android.

• Tác giả: Lê Văn Hoạt
• Người hướng dẫn: ThS. Vũ Đình Huấn
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Thiết kế hệ thống thông tin và quản lý xe cân bằng thông qua điện thoại thông minh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ Thống Quản Lý Xe Cân Bằng Thông Minh

Hệ thống quản lý xe cân bằng là một giải pháp công nghệ hiện đại kết hợp Arduino, cảm biến thông minh và ứng dụng Android để điều khiển xe từ điện thoại. Đây là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực công nghệ kỹ thuật ô tô, cho phép người dùng theo dõi và kiểm soát tình trạng xe ngay trên smartphone. Hệ thống này tích hợp các cảm biến đa chức năng như cảm biến nhiệt độ LM35, cảm biến ánh sáng, cảm biến Hall và cảm biến dòng điện ACS712. Mục tiêu chính là mang công nghệ truyền dữ liệu không dây đến người dùng, giúp sửa chữa và kiểm tra tình trạng xe một cách thuận tiện. Công nghệ này không chỉ làm mới lại chiếc xe mà còn tối ưu hóa trải nghiệm người dùng với giao diện thân thiện trên hệ điều hành Android.

1.1. Thành Phần Chính của Hệ Thống

Hệ thống bao gồm ba phần chính: board Arduino Uno R3 đóng vai trò xử lý dữ liệu, module Bluetooth HC-05 để truyền dữ liệu không dây, và ứng dụng Android MIT App Inventor 2 cung cấp giao diện người dùng. Các cảm biến chuyên biệt giúp đo lường nhiệt độ động cơ, cường độ sáng, tốc độ quay bánh xe và dòng điện. Toàn bộ hệ thống được thiết kế để hoạt động ổn định, chính xác và có khả năng chống nhiễu sóng cao.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn

Ứng dụng quản lý xe cho phép người dùng theo dõi thông số động cơ real-time, kiểm tra mức năng lượng accu, đo cường độ dòng điện tiêu thụ và điều khiển các thiết bị trên xe. Giao diện trực quan trên Android hiển thị dữ liệu qua biểu đồ, số liệu thống kê và cảnh báo tự động. Điều này rất hữu ích cho cả người sử dụng xe cá nhân lẫn kỹ thuật viên bảo dưỡng.

II. Công Nghệ Arduino và Xử Lý Tín Hiệu Cảm Biến

Arduino Uno R3 là bộ vi điều khiển mã nguồn mở được sử dụng để xử lý tín hiệu từ các cảm biến và quản lý toàn bộ hệ thống. Ngôn ngữ lập trình C/C++ trên Arduino IDE cho phép lập trình dễ dàng và linh hoạt. Hệ thống phải giải quyết thách thức lớn về khử nhiễu sóng và ổn định dữ liệu truyền. Các cảm biến thông minh như LM35, quang trở, Hall và ACS712 cung cấp thông tin chi tiết về tình trạng xe. Dữ liệu từ các cảm biến được đọc liên tục, xử lý và gửi qua Bluetooth HC-05 đến điện thoại thông minh. Quá trình này yêu cầu độ chính xác cao và khả năng xử lý đa luồng để đảm bảo không có thông tin nào bị mất.

2.1. Cảm Biến Nhiệt Độ LM35

Cảm biến LM35 được sử dụng để đo nhiệt độ động cơ xe với độ chính xác cao. Cảm biến này có dạng tuyến tính, mỗi 10mV tương ứng với 1°C. Arduino đọc tín hiệu analog từ cảm biến, chuyển đổi thành giá trị số học và gửi tới ứng dụng Android. Dữ liệu nhiệt độ được hiển thị real-time giúp người dùng phát hiện sớm các vấn đề về quá nhiệt.

2.2. Module Bluetooth HC 05 và Truyền Dữ Liệu

Module Bluetooth HC-05 là yếu tố khoá cho truyền dữ liệu không dây giữa xe và smartphone. Nó hoạt động ở tần số 2.4 GHz, cho phép kết nối ổn định trong phạm vi 10-100 mét. Dữ liệu từ Arduino được mã hóa và gửi liên tục qua Bluetooth. Ứng dụng Android nhận tín hiệu và cập nhật giao diện tự động, cho phép người dùng giám sát và điều khiển xe từ xa.

III. Phát Triển Ứng Dụng Android với MIT App Inventor 2

MIT App Inventor 2 là platform phát triển ứng dụng no-code cho phép tạo ứng dụng Android mà không cần kiến thức lập trình sâu. Nó cung cấp hai chế độ làm việc chính: chế độ Designer để thiết kế giao diện người dùng và chế độ Blocks để lập trình logic ứng dụng. Ứng dụng quản lý xe được phát triển với các màn hình chuyên biệt: màn hình đăng nhập, màn hình hiển thị thông số xe (nhiệt độ, dòng điện, ánh sáng, tốc độ) và màn hình điều khiển. Giao diện được thiết kế trực quan, dễ sử dụng với biểu đồ thống kê, số liệu số và chỉ báo trạng thái. Ứng dụng hỗ trợ kết nối Bluetooth tự động và cảnh báo khi các thông số vượt ngưỡng cho phép.

3.1. Thiết Kế Giao Diện Người Dùng

Chế độ Designer trong MIT App Inventor 2 cho phép kéo-thả các components để tạo giao diện. Ứng dụng bao gồm nút bấm, văn bản hiển thị, biểu đồ, thanh tiến trình và cảnh báo popup. Giao diện được tối ưu cho màn hình điện thoại với kích thước responsive. Mỗi phần tử UI được định vị cẩn thận để tạo ra trải nghiệm người dùng mượt mà và chuyên nghiệp.

3.2. Lập Trình Logic Ứng Dụng

Chế độ Blocks sử dụng lập trình hình khối (block-based programming) để xây dựng logic ứng dụng. Các khối lệnh được sắp xếp để nhận dữ liệu từ Bluetooth, xử lý và hiển thị trên màn hình. Ứng dụng cũng kiểm tra các điều kiện (ví dụ: nếu nhiệt độ > 90°C) để kích hoạt cảnh báo. Logic này linh hoạt và có thể mở rộng để thêm các tính năng mới trong tương lai.

IV. Kết Quả Thực Hiện và Triển Khai Trên Xe Cân Bằng

Hệ thống hoàn chỉnh được lắp đặt và kiểm thử trên mô hình xe cân bằng, đạt được kết quả chính xác và ổn định. Phần cứng bao gồm bo mạch Arduino kết nối với các cảm biến, module Bluetooth HC-05 và hộp điều khiển gắn trên xe. Phần mềm gồm code Arduino xử lý cảm biến và ứng dụng Android với giao diện thân thiện. Mô hình này rất phù hợp để thương mại hóa, cung cấp giải pháp thực tiễn cho ngành công nghệ kỹ thuật ô tô. Thử nghiệm cho thấy hệ thống truyền dữ liệu ổn định, độ trễ thấp và không gặp vấn đề nhiễu sóng đáng kể khi áp dụng các kỹ thuật khử nhiễu phù hợp. Dự án này mở ra cơ hội mới cho sự kết hợp giữa lập trình và công nghệ ô tô.

4.1. Quá Trình Lắp Đặt Phần Cứng

Phần cứng hệ thống được lắp đặt trên mô hình xe cân bằng với các kết nối dây cẩn thận. Bo mạch Arduino Uno R3 đặt ở vị trí trung tâm điều khiển, các cảm biến được gắn tại các vị trí chiến lược (động cơ, pin accu, bánh xe). Module Bluetooth HC-05 được lắp để nhận tín hiệu tốt nhất. Toàn bộ hệ thống điện được kiểm tra bốn lần để đảm bảo an toàn và hiệu suất cao.

4.2. Hiển Thị Dữ Liệu và Hiệu Quả

Ứng dụng Android hiển thị thông số xe theo thời gian thực với độ chính xác cao hơn 95%. Biểu đồ số liệu cho thấy xu hướng mức pin, nhiệt độ động cơ và tiêu thụ năng lượng. Người dùng có thể tắt/bật các thiết bị từ xa, đặt thông báo cảnh báo khi các thông số vượt quá ngưỡng. Hệ thống hoạt động ổn định trong điều kiện thực tế với xe chạy quanh khòng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC -------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Tên đề tài THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÀ QUẢN LÝ XE CÂN BẰNG THÔNG QUA ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH SVTH : LÊ VĂN HOẠT MSSV : 13145095 SVTH : VÕ CÔNG QUÂN MSSV : 13145208 GVHD : ThS. VŨ ĐÌNH HUẤN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đố án này nhóm đã làm việc một cách tích cực liên tục và nỗ nực không ngừng trong công việc nghiên cứu và tìm kiếm tài liệu liên quan đến nội dung của đề tài. Tuy nhiên bên cạnh những cố gắng của bản thân, nhóm cũng đã gặp không ít những khó khăn, vƣớng mắc và ngƣời đã giúp chúng em tìm ra hƣớng đi đúng đó là giáo viên hƣớng dẫn, thầy Vũ Đình Huấn.

Với lƣợng kiến thức còn hạn hẹp, thêm vào đó đây là lần đầu chúng em thực hiện đồ án nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót , hạn chế vì thế chúng em rất mong có đƣợc sự góp ý và nhắc nhờ từ thầy giáo để có thể hoàn thiện đề tài của mình Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô trƣờng sƣ phạm kĩ thuậy đã tận tình dạy dỗ chúng em trong những năm qua, đặc biệt là các thầy cô trong khoa cơ khí động lực đã giúp chúng em rất nhiều trong vấn đề học tập để chúng em vƣợt qua những khó khăn của thời sinh viên. Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn tận tình của giáo viên hƣớng dẫn, thấy Vũ Đình Huấn đã cung cấp cho chúng em những kiến thức chuyên môn cũng nhƣ những ý kiến đóng góp hết sức quý giá trong quá trình làm đề tài. Cuối cùng, xin cảm ơn chân thành Ba Mẹ, Anh Chị, Bạn Bè cùng những ngƣời thân đã nuôi nấng, giúp đỡ chúng em nên ngƣời và trở thành ngƣời có ích cho xã hội. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017 Sinh viên thực hiện TÓM TẮT Trong đề tài Thiết kế hệ thống thông tin và quản lý xe cân bằng thông qua điện thoại thông minh, chúng em tập trung nghiên cứu thiết lập truyền dữ liệu, xử lí tín hiệu từ Arduino, và cách đọc tín hiệu từ các cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, cảm biển hall trong encoder.

Cùng với đó là cách hạn chế các vấn đề về mặt nhiễu sóng và không ổn định trong thời gian truyền dữ liệu. Về phần android chúng em nghiên cứu về cách nhận tín hiệu và điều khiển lại các thiết bị trên xe, cách hiển thị các thông số theo các cách khác nhau. Mục đích chính của chúng em là mang công nghệ truyền dữ liệu không dây tới ngƣời dữ dụng, đặc biệt trong ngành nghề công nghệ kỹ thuật ô tô, một phƣơng pháp sữa chữa và kiểm tra tình trạng xe ngay trên smartphonr, đối với ngƣời sử dụng xe, công nghệ này sẽ làm mới lại chiếc xe, làm chiếc xe gọn gàng và tiện lời hơn với hệ điều hành thông minh Android. Để có một đề tài hoàn chỉnh, chúng em phải chia ra các bài toán nhỏ, xử lí các khó khăn nhỏ, sau đó kết hợp và chỉnh sửa lại cả phần cứng và phần mềm sao cho kết quả đạt đƣợc và tốt nhất và chính xác nhất.

Khó khăn chúng em gặp phải là phƣơng pháp truyền đa dữ liệu từ android mà vẫn không làm nhiễu sóng của các dữ liệu. Đây cũng là trở ngại lớn nhất trong công nghệ truyền không dây, các tín hiệu có thể đè lên nhau, kết qur nhận đƣợc sau cũng có thể không đƣợc chính xác. Kết thúc đề tài, chúng em đã viết riêng một ứng dụng với hệ điều hành android, một hộp điều khiển đƣợc kết nối với xe, mô hình này rất hợp lí để có thể thƣơng mại hóa, đây là một đề tài mới và rất mới vì đối với ngành công nghệ kỹ thuật ô tô, chúng em rất ít đƣợc tiếp xúc với ngôn ngữ lập trình, ít có cơ hội để giao lƣa và học hỏi kinh nghiệm về lập trình. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.

3 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU. Lý do chọn đề tài. Mục tiêu đề tài. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.

Tổng quan về arduino. Lý thuyết về board Arduino Uno R3. Lý thuyết về arduino IDE và ngôn ngữ lập trình. Lý thuyết các cảm biến đƣợc sử dụng trong đề tài.

Cảm biến nhiệt độ LM35. Cảm biến ánh sáng quang trở. Module blutooth HC-05. Cảm biến dòng điện ACS712.

Cảm biến hall. THIẾT LẬP PHẦN CỨNG VÀ LẬP TRÌNH VỚI ARDUINO. Lập trình,lắp đặt cho mạch đo nhiệt độ với arduino. Lập trình,lắp đặt cho mạch đo cƣờng độ sáng với arduino.

Lắp đặt mạch kết nối bluetooth HC05 với arduino. Lắp đặc đo điện áp accu. Lập trình,lắp đặt cho mạch hall với aruidno. Lập trình,lắp đặt cho mạch đo cƣờng độ dòng điện với arduino.

LẬP TRÌNH ANDROID MIT APP INVENTOR 2. Giới thiệu về Mit App Inventor. Chế Độ Designer: chế độ dành cho thiết kế, tạo giao diện bên ngoài. Chế Độ Blocks: chế độ làm việc với các khối lệnh.

ỨNG DỤNG MIT APP INVENTOR 2 VÀO HIỂN THỊ THÔNG TIN VÀ QUẢN LÍ NĂNG LƢỢNG XE. Thiết lập màn hình đăng nhập. Thiết lập màn hình hiển thị thống số xe. Thiết lập màn hình điều khiển và hiển thị công suất tiêu thụ.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG TRÊN XE CÂN BẰNG. Thiết kế phần cứng cho hệ thống thông tin. kết quả hiển thị. Code lập trình tham khảo.

KẾT LUẬNVÀ ĐỀ NGHỊ. 70 DANH MỤC TÀI LIỆUTHAM KHẢO. 73  Hƣớng dẫn sử dụng Arduino. 73  Hƣớng dẫn lập trình androi mit app inventor 2.

77 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU IDE Intergrated Development Environment Môi trƣờng phát triển tích hợp DIY Do It by Yourself là những ngƣời tự chế ra sản phẩm của mình WYSIWYG What you see is what you get những gì bạn thấy là những gì bạn có IC Integrated Circuit Mạch tích hợp PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung USB Universal Serial Bus Một chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh EEPROM Electrically Erasable Programmable Bộ nhớ không mất dữ liệu khi Read-Only Memory ngừng cung cấp điện LED Light Emitting Diode Đèn phát sáng SPI Serial Peripheral Interface Giao diện ngoại vi nối tiếp IDII Interaction Design Instistute Ivrea Trƣờng Interaction Design Instistute Ivrea CAN Control Area Network Mạng điều khiển khu vực DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Multi Media Interfacexe trên xe AUDI .2 Sử dụng màn LCD để hiển thị và điều khiển trên xa VOLVO .1 Các thành viên khởi xƣớng arduino .2 Boad mạch arduino Uno R3 .3 Các cổng ra vào trên arduino Uno R3 .4 Giao diện màn hinh arduino IDE .5 Cảm biến nhiệt độ .6 Cảm biến ánh sang quang trở .7 Module blutooth HC-05 .8 Cảm biến dòng điện ACS712 .8 Nguyên lý cảm biến Hall .1 Mạch đo cảm nhiệt độ với arduino .2 Kết quả hiển thị đo nhiệt độ từ arduino .3 Mạch đo cƣờng độ sáng với arduino.4 Kết quả Hiển thị đo cƣờng độ sang từ arduino .5 Mạch kết nối bluetooth HC05 với arduino .6 Mạch kết nối đo điện áp accu với arduino .7 Kết quả hiển thị điện áp accu .8 Mạch kết đo tín hiệu xung của hall với arduino .9 Kết quả hiển thị số quay quay động cơ cân bằng (rpm) .10 Lắp đặt cho mạch đo cƣờng độ dòng điện với arduino .11 Kết quả Hiển thị đo cƣờng độ dòng điện từ arduino .1 Sơ đồ nguyên truyền phiên bản mới nhất hiện nay là MIT App Inventor 2………………………………………………………… 28 Hình 4.2 Giao diện quản lý Project .3 Giao diện Start New Project .4 Giao diện các thành phần chính của chế độ designer .5 Giao diện User inteface (Giao diện ngƣời dùng) .6 Giao diện Layout (Bố cục) .7 Giao diện Media (Phƣơng tiện truyền thông) .8 Giao diện Drawing and Animation (Vẽ và chuyển động) .10 Giao diện Social (Giao tiếp - Xã hội) .11 Giao diện Storage (Lƣu trữ) .12 Giao diện Connectivity (Kết nối) .13 Giao diện LEGO® MINDSTORMS® .14 Giao diện Thành phần - thuộc tính .15 Giao diện Lệnh tích hợp sẵn .16 Giao diện Lệnh Creen .17 Giao diện Lệnh Any component .18 Giao diện vùng làm việc .19 Giao diện hộp cảnh báo .1 Giao diện của ứng dụng .2 Giao diện cửa sổ components .3 khối code thiết lập kết nối bluetooth .4 khối code thiết lập kết nối Bluetooth khi phát hiện lỗi .5 khối code thiết lập mở screen2 .6 khối code thiết lập Reset password cho ứng dụng .7 khối code thiết lập thay đổi password cho ứng dụng .8 khối code thiết lập Tự định vị xe .9 khối code thiết lập Tìm xe bằng nút bấm.10 khối lệnh call bluetooth .10 Màn hình hiển thị tốc độ động cơ và tích hợp tính năng điều khiển đèn57 Hình 5.11 khối code thiết lập điều khiển hiển thị thông số .12 khối code thiết lập điều khiển hiển điều khiển đèn cơ bản .13 khối code thiết lập điều kiện để hoạt động là click vào button .14 Màn hình hiển thị creen 3 .15 khối code thiết lập truyền dữ liệu số từ arduino đến android .1:Sơ đồ nguyên lý hệ thống quản lý thông tin và điều khiển .2:Sơ đồ mạch điện thực tế .4 Kết quả hiển thị khi xe hoạt động theo dạng đồng hồ kim .5 Hiển thị kết quả theo đồng hồ số .6 kết quả điều khiển đèn chiếu sáng. 64 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Một vài thông số của Arduino UNO R3.2 Thông số kỹ thuật cảm biến dòng điện ACS712 .1 Nhóm những đối tƣợng dùng để thiết kế giao diện cho screen mà ngƣời dùng nhìn thấy đƣợc.2 Nhóm lệnh sắp xếp các đối tƣợng theo một bố cục .3:Nhóm lệnh liên quan đến đa phƣơng tiện nhƣ âm thanh, video, máy ảnh, ghi âm.4: Nhóm lệnh tạo ra những chuyển động hay tƣơng tác .6 Nhóm Các đối tƣợng này giúp bạn thao tác về liên lạc, giao tiếp và mạng xã hội.7 Nhóm chức năng này giúp bạn lƣu trữ thông tin, dữ liệu,. theo nhiều cách khác nhau .8 Nhóm giúp bạn hoàn toàn có thể dùng chúng để kết nối bluetooth, giao thức web, .9 Nhóm giúp cho bạn những đối tƣợng có thể làm việc với Lego Mindstorm. Tình hình hiện nay Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vi điều khiển AVR và vi điều khiển PIC ngày càng thông dụng và hoàn thiện hơn, nhƣng có thể nói sự xuất hiện của Arduino vào năm 2005 tại Italia đã mở ra một hƣớng đi mới cho vi điều khiển.