Thiết kế thiết bị thu thập thông tin hiện trường ứng dụng trong hệ thống quản lý, giám sát xe công trình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế thiết bị thu thập thông tin trường ứng dụng hệ thống quản lý, giám sát xe cơng trình TRẦN HÙNG MẠNH manh.th162674@sis.hust.edu.vn Ngành KT Điều khiển & Tự động hóa Chuyên ngành Kỹ thuật đo & Tin học công nghiệp Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Hồng Sĩ Hồng Chữ ký GVHD Bộ mơn: Viện: Kỹ thuật đo & Tin học công nghiệp Điện HÀ NỘI, 7/2021 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập – Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ tên: Trần Hùng Mạnh Mã số sinh viên: 20162674 Khóa: 61 Viện: Điện Ngành: Kỹ thuật đo tin học công nghiệp Đầu đề thiết kế/Tên đề tài Thiết kế thiết bị thu thập thông tin trường ứng dụng hệ thống quản lý, giám sát xe công trình Các số liệu ban đầu - Sử dụng cảm biến DHT11, DS18B20 Sử dụng MCU STM32RCT6 Sử dụng module RFID RC522 Sử dụng module GPS QUECTEL L70-R Sử dụng module GSM/GPRS SIM800C Các nội dung tính tốn, thiết kế Thiết kế thu thập thông tin gắn xe cơng trình phục vụ cho hệ thống quản lý, giám sát xe cơng trình, bao gồm: - Tính toán thiết kế phần cứng: Mạch nguyên lý; Mạch in; Vỏ hộp - Lập trình firmware để linh kiện thiết bị hoạt động, giao tiếp, trao đổi liệu cho với server Cán hướng dẫn: PGS TS Hoàng Sỹ Hồng Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 01/03/2021 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 01/06/2021 Ngày tháng năm CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký, ghi rõ họ tên) Lời cảm ơn Đầu tiên, Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TS Hoàng Sĩ Hồng, người hướng dẫn trực tiếp em thực đề tài Thầy có định hướng trao đổi với em suốt thời gian em thực đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo trực tiếp giảng dạy trau dồi cho em kiến thức quý giá suốt trình học tập, nghiên cứu trường Đại học Bách khoa Hà Nội Em xin gửi lời cảm ơn đến bạn Lab ManDevices Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Điện, Bộ môn Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thiện đồ án Tóm tắt nội dung đồ án Cùng với phát triển ngày mạnh mẽ IoT, nhu cầu quản lý, giám sát từ xa thơng qua Internet ngày cao, phải kể đến lĩnh vực xây dựng Hiện tại, công ty lĩnh vực dần chuyển đổi số hệ thống Nắm bắt xu đó, với mục tiêu tạo hệ thống giúp người quản lý dễ dàng theo dõi, giám sát xe cơng trình từ xa, em chọn đề tài: “ Thiết kế thiết bị thu thập thông tin trường ứng dụng hệ thống quản lý, giám sát xe cơng trình ” làm đề tài Đồ án tốt nghiệp Để phục vụ cho đề tài em sử dụng phần mềm: Eclipse IDE, CubeMX, Altium, Solid Work…; phần cứng em sử dụng MCU STM32F103, module RFID, module GSM/GPRS, module GPS,… Kết đồ án hoàn thiện mục tiêu đề Đề tài hướng tới ứng dụng thực tế trường, yêu cầu cao khả làm việc ổn định lâu dài Tuy nhiên để hệ thống hoạt động ổn định cần có thêm thời gian vận hành để theo dõi, đánh giá tương lai Các kiến thức kỹ đạt được: - Kiến thức đo nhiệt độ điện áp - Nắm nguyên lý hoạt động cách giao tiếp với MCU cảm biến sử dụng - Giao tiếp STM32 với module thiết bị - Kiến thức MQTT cách giao tiếp thiết bị với Server thơng qua giao thức MQTT - Kỹ tìm kiếm tài liệu, tổng hợp thơng tin, kĩ trình bày viết báo cáo Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên Mục lục DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 10 LỜI MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG TÌM HIỂU CHUNG VỀ GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH VÀ VẤN ĐỀ QUẢN LÝ, GIÁM SÁT XE TRONG CÁC DOANH NGHIỆP XÂY DỰNG HIỆN NAY 13 1.1 Tìm hiểu chung Giám sát hành trình 13 Lịch sử đời thiết bị giám sát hành trình 13 Cấu tạo chung thiết bị giám sát hành trình 15 Lợi ích việc sử dụng thiết bị giám sát hành trình 16 1.2 Vấn đề quản lý, giám sát xe cách doanh nghiệp xây dựng 18 1.3 Xây dựng giải pháp thiết kế hệ thống 21 1.4 Xây dựng yêu cầu hệ thống 21 1.5 Kết luận chương 22 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 24 2.1 Thiết kế tổng thể 24 2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 28 Khối nguồn 29 Khối hiển thị, thông báo 34 Khối RFID 34 Khối xử lý trung tâm – MCU 36 Khối lưu trữ liệu 39 Khối cảm biến, IN/OUT 40 Khối GSM/GPRS 44 Khối GPS 45 Khối RS232/Debug 47 2.3 Thiết kế PCB 48 2.4 Thiết kế phần mềm 53 Thiết kế phần mềm nhúng – Firmware cho MCU 53 Thiết kế giao diện người quản lý 64 2.5 Thiết kế vỏ hộp 64 2.6 Kết luận chương 66 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 67 3.1 Kết thiết kế, chế tạo đóng hộp sản phẩm 67 3.2 Thử nghiệm hoạt động thiết bị 70 Thử nghiệm hoạt động module thiết bị 70 Các test độ bền học 76 Kiểm tra hoạt động thiết bị 76 Giao diện người quản lý 84 3.3 Kết luận chương 86 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 87 4.1 Kết luận 87 4.2 Hướng phát triển tương lai 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Analog Tachograph thời đầu [1] 13 Hình 1.2 Analog Tachograph Face [1] 13 Hình 1.3 Analog Tachograph Chart [1] 14 Hình 1.4 Thiết bị giám sát hành trình Viettel [2] 15 Hình 1.5 Thiết bị giám sát hành trình VCOMSAT [2] 15 Hình 1.6 Các thành phần thiết bị GSHT [2] 16 Hình 1.7 Lắp thiết bị GSHT để theo dõi phương tiện [2] 17 Hình 1.8 Quãng đường di chuyển lưu lại thiết bị GSHT [2] 17 Hình 1.9 Số lượng doanh nghiệp thời điểm 31/12 hàng năm [3] 18 Hình 1.10 Một số loại máy xe cơng trình phổ biến [3] 20 Hình 2.1 Sơ đồ tổng quan giải pháp thiết kế hệ thống 25 Hình 2.2 Mơ hình tầng OSI 25 Hình 2.3 Sơ đồ thiết kế thiết bị giám sát máy công trình 26 Hình 2.4 Các giao thức sử dụng thiết bị 27 Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý tổng thể thiết bị 28 Hình 2.6 Năng lượng tiêu thụ trung bình MCU tất ngoại vi cần thiết hoạt động đồng thời 29 Hình 2.7 Khối bảo vệ, lọc điện áp đầu vào 30 Hình 2.8 Sơ đồ chân IC TPS54360 31 Hình 2.9 Sơ đồ thiết kế mạch Buck sử dụng IC TPS54360 32 Hình 2.10 Mạch hạ áp 12VDC 32 Hình 2.11 Mạch hạ áp xuống 5V 3.3V 33 Hình 2.12 Mạch nguồn LDO cho module GPS 33 Hình 2.13 Khối hiển thị, thơng báo 34 Hình 2.14 Màn hình OLED 1.3” I2C [4] 34 Hình 2.15 Module RFID RC522 thẻ RFID S50 [4] 35 Hình 2.16 Sơ đồ thiết kế module RFID 36 Hình 2.17 STM32F103RCT6 [4] 37 Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển 37 Hình 2.19 Sơ đồ thiết kế khối SD Card 40 Hình 2.20 Sơ đồ thiết kế khối EEPROM 40 Hình 2.21 Các cảm biến sử dụng để đo nhiệt độ, độ ẩm [4] 41 Hình 2.22 Sơ đồ khối cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm 42 Hình 2.23 Sơ đồ thiết kế mạch phân áp cho ADC 42 Hình 2.24 Cảm biến tiệm cận NPN [4] 42 Hình 2.25 Sơ đồ thiết kế khối cảm biến tiệm cận đo tốc độ 43 Hình 2.26 Đo tốc độ cảm biến tiệm cận NPN [4] 43 Hình 2.27 Module SIM800C SIMCOM [5] 44 Hình 2.28 Sơ đồ thiết kế khối GSM/GPRS dùng SIM800C 45 Hình 2.29 Hệ thống tụ lọc nguồn cho SIM800C 45 Hình 2.30 Module GPS L70 [7] 46 Hình 2.31 Sơ đồ thiết kế khối GPS 46 Hình 2.32 Khối RS232 47 Hình 2.33 Sơ đồ thiết kế khối DEBUG 47 Hình 2.34 Mạch PCB dạng 2D 48 Hình 2.35 Mạch PCB dạng 3D 48 Hình 2.36 Vị trí đặt tụ lọc nguồn với IC 49 Hình 2.37 Vị trí đặt thạch anh dao động 49 Hình 2.38 Tách phần nguồn tín hiệu 49 Hình 2.39 Tính tốn kích thước đường dây Antenna Coplanar Waveguide Ground 50 Hình 2.40 Sơ đồ thiết kế mạch Active Antenna without ATON [7] 51 Hình 2.41 Sơ đồ thiết kế Active antenna with ATON [7] 51 Hình 2.42 Sơ đồ thiết kế Passive Antenna without LNA [7] 51 Hình 2.43 Sơ đồ thiết kế passive antenna with LNA [7] 52 Hình 2.44 Thiết kế PCB Active Antenna GPS 52 Hình 2.45 Thiết kế PCB Passive Antenna GSM 52 Hình 2.46 Sơ đồ kết nối giao tiếp One-wire 53 Hình 2.47 Tín hiệu bus One-wire [4] 54 Hình 2.48 Mơ hình giao thức MQTT [8] 54 Hình 2.49 Tổng quan hệ thống GPS [9] 56 Hình 2.50 Minh họa quỹ đạo vệ tinh quanh Trái Đất [9] 57 Hình 2.51 Vị trí trạm điều khiển giám sát hệ thống GPS [9] 57 Hình 2.52 Nguyên lý định vị GPS [9] 58 Hình 2.53 Lưu đồ tổng quát sử dụng để thiết kế firmware 60 Hình 2.54 Lưu đồ trình Khởi tạo hệ thống 61 Hình 2.55 Vỏ hộp dạng 3D thiết kế SolidWork 64 Hình 2.56 Thiết kế phần cạnh vỏ AutoCad 65 Hình 2.57 Thiết kế khắc laser vỏ hộp 65 Hình 3.1 Mạch PCB Ver 1.4 sau hàn linh kiện 67 Hình 3.2 Mạch PCB Ver 1.5 sau hàn linh kiện 67 Hình 3.3 Thân vỏ sau gia công 68 Hình 3.4 Phần cạnh bên sau cắt CNC 68 Hình 3.5 Kết khắc laser lên vỏ hộp 68 Hình 3.6 Đặt phần mạch vào vỏ hộp 69 Hình 3.7 Kết đóng hộp thiết bị 69 Hình 3.8 Kết đóng vỏ mạch RFID gắn 70 Hình 3.9 Dịng tiêu thụ thiết bị cấp nguồn 16VDC 71 Hình 3.10 Thử nghiệm cắm ngược nguồn 72 Hình 3.11 Kết nối với MCU qua ST Link 72 Hình 3.12 Debug MCU OpenOCD + Eclipse 72 Hình 3.13 Nguồn Agilent E3634A 74 Hình 3.14 Đồng hồ đo nhiệt độ độ ẩm HTC-1 75 Hình 3.15 Thử nghiệm rơi 76 Hình 3.16 Thử nghiệm va đập búa 76 Hình 3.17 Bộ thu GNSS RTK Surveyor Sparkfun 77 Hình 3.18 Qng đường mơ máy phát GPS 78 Hình 3.19 Quãng đường ghi lại Server [*] 78 Hình 3.20 Test thiết bị tơ 79 Hình 3.21 Quãng đường ghi lại server [*] 79 Hình 3.22 Thơng tin lưu lại thẻ SD Card 80 Hình 3.23 Dữ liệu trích xuất phần mềm Tổng cục 80 Hình 3.24 Thông tin thời gian làm việc 81 Hình 3.25 Thời gian dừng đỗ xe thiết bị ghi lại 81 Hình 3.26 Dữ liệu hành trình lưu thiết bị 82 Hình 3.27 Dữ liệu vận tốc giây lưu thiết bị 82 Hình 3.28 Kết lưu lại server 83 Hình 3.29 Kiểm tra kết nối kết nối lại 83 Hình 3.30 Giao diện theo dõi thiết bị [*] 84 Hình 3.31 Giao diện theo dõi thơng số nhiệt độ độ ẩm [*] 84 Hình 3.32 Cấu hình thiết bị từ server [*] 85 Hình 3.33 Giao diện quản lý, theo dõi phiên làm việc tài xế [*] 85 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Mức độ tiêu thụ lượng khối mạch 29 Bảng 2.2 Mức tiêu thụ lượng module SIM800 30 Bảng 2.3 Chức số chân IC 31 Bảng 2.4 Giải thích thành phần thiết kế khối vi điều khiển 37 Bảng 2.5 MQTT Publish Topic 62 Bảng 2.6 MQTT Subscribe Topic 63 Bảng 3.1 Kết đo mức điện áp khối nguồn 71 Bảng 3.2 Thử nghiệm chức module SIM800C 73 Bảng 3.3 Cường độ chất lượng sóng đo điều kiện 73 Bảng 3.4 Thử nghiệm chức module GPS L70 73 Bảng 3.5 Điện áp nguồn đo qua ADC 74 Bảng 3.6 Giá trị nhiệt độ độ ẩm đo 75 Bảng 3.7 Kết hoạt động thành phần lại 75 Bảng 3.8 Kết đo độ xác GPS thiết bị 77 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt GSHT OSI MCU DB RFID IC GPRS MQTT PCB GPS GNSS USART SPI LDO ADC IDE Tiếng anh Open Systems Interconnection Micro Controller Unit Database Radio Frequency Identification Integrated Circuit General Packet Radio Service Message Queuing Telemetry Transport Printed circuit board Global Positioning System Global Navigation Satellite system Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter Serial Peripheral Interface Low Dropout Analog to Digital Converter Integrated Development Environment Tiếng việt Giám sát hành trình Mơ hình kết nối hệ thống mở Bộ vi điều khiển Cơ sở liệu Nhận dạng dùng sóng vơ tuyến Vi mạch tích hợp Dịch vụ liệu di động dạng gói Mạch in Hệ thống định vị toàn cầu Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu Bộ truyền nhận liệu đồng bộ/ không đồng nối tiếp Giao diện ngoại vi nối tiếp Bộ chuyển đổi tương tự - số Mơi trường phát triển tích hợp 10 Tiến hành gắn active antenna cho module GPS L70, đặt module chế độ Full Cold Start (Factory Reset) Cấp nguồn cho khối GPS hoạt động, Time to First Fix module GPS L70 đặt thiết bị trời khoảng phút * Kiểm tra kết đo cảm biến ADC Sử dụng nguồn lập trình Agilent E3634A để cấp nguồn cho thiết bị mức điện áp từ 12- 24V (Hình 3.13), kết đo điện áp thơng qua ADC tính trung bình sau 10 lần đo cho Bảng 3.5 Hình 3.13 Nguồn Agilent E3634A Bảng 3.5 Điện áp nguồn đo qua ADC Điện áp nguồn (V) Điện áp đo qua ADC(V) 12.000 11.981 14.000 13.972 16.000 15.975 20.000 19.968 24.000 23.960 ➢ Nhận xét: Khối ADC đo điện áp nguồn xác Sử dụng đồng hồ đo nhiệt độ độ ẩm HTC-1 (Hình 3.14) làm tham chiếu, cấp nguồn cho thiết bị, giá trị nhiệt độ độ ẩm đo từ cảm biến DS18B20 DHT11 tính trung bình sau 10 lần đo cho Bảng 3.6 74 Hình 3.14 Đồng hồ đo nhiệt độ độ ẩm HTC-1 Bảng 3.6 Giá trị nhiệt độ độ ẩm đo Điều kiện Giá trị đo từ HTC-1 Giá trị đo từ thiết bị Nhiệt độ ° C Độ ẩm %RH Nhiệt độ ° C Độ ẩm %RH Phịng TN 25.5 45 26.0 50 Ngồi trời Hà 29.8 76 30.0 78 Nội (1) Ngoài trời Hà 37.9 55 38.5 60 Nội (2) (1): Đo ngày 25/6/2021 lúc 10h00 sáng, địa điểm C6 Thanh Xuân Bắc (2): Đo ngày 30/6/2021 lúc 12h00 sáng, địa điểm C6 Thanh Xuân Bắc ➢ Nhận xét: Giá trị nhiệt độ độ ẩm đo có sai số thấp so với thiết bị chuẩn Có thể giảm sai số cách cấu hình cảm biến hoạt động độ phân giải lớn (12bit thay 9bit) * Kiểm tra hoạt động thành phần lại Cấp nguồn cho khối cịn lại, tiến hành lập trình để giao tiếp MCU với khối đó, kết cho Bảng 3.7 Bảng 3.7 Kết hoạt động thành phần lại Khối Chức RFID Đọc thẻ RFID SD Card Nhận diện thẻ SD Card Ghi/xóa/đọc file Debug Truyền nhận liệu lên cổng COM PC RS232 Giao tiếp với phần mềm trích xuất thông tin GTVT Kết OK OK OK OK OK 75 Các test độ bền học * Thử nghiệm rơi: Đặt thiết bị giá nằm ngang cho rơi 50 lần từ độ cao cm xuống mặt bàn Sau thử nghiệm, thiết bị không bị nứt vỡ phải hoạt động bình thường Hình 3.15 Hình 3.15 Thử nghiệm rơi * Thử nghiệm va đập: Thiết bị phải chịu lần va đập bề mặt với lượng 0,5 ± 0,05 J búa lị xo - Hình 3.16 Sau thử nghiệm, mẫu thử phải cịn ngun vẹn, khơng hư hỏng, biến dạng, nứt vỡ hoạt động bình thường Hình 3.16 Thử nghiệm va đập búa Kiểm tra hoạt động thiết bị Mục đích: Đánh giá cách tổng quát hoạt động thiết bị có đạt chức đặt hay khơng Các chức thiết bị là: 76 Định vị vị trí qua GPS, đo tốc độ di chuyển Đo tốc độ, quãng đường, nhiệt độ, độ ẩm, điện áp ắc quy gửi thông số lên Server - Lưu trữ thơng tin tốc độ, vị trí thiết bị theo giây Trích xuất thơng tin thiết bị phần mềm BGTVT - Đăng nhập, đăng xuất lái xe thẻ RFID * Test 1: Kiểm tra độ xác thu GPS Sử dụng module GPS RTK Surveyor Sparkfun (Hình 3.17) làm tham chiếu Module sử dụng cơng nghệ định vị xác RTK với sai số đến 1cm Đọc giá trị lat/long module thiết bị đo được, sau sử dụng cơng thức để tính khoảng cách điểm, từ coi khoảng cách sai số thiết bị so với thiết bị chuẩn Với địa điểm, thực phép đo 10 lần tính trung bình, kết đo cho Bảng 3.8 - Hình 3.17 Bộ thu GNSS RTK Surveyor Sparkfun Bảng 3.8 Kết đo độ xác GPS thiết bị Địa điểm (1) (2) (3) Kết đo từ thiết bị giám sát máy cơng trình Lat Long Kết đo từ module Sparkfun RTK Surveyor Lat Long Sai số (m) 20.9914398N 105.8019790E 20.9913825N 105.8020612E 8.172 21.0064025N 105.8430565E 21.0064497N 105.8430693E 5.414 21.0096051N 105.7992605E 21.0096801N 105.7992619E 8.352 77 21.3684820N 105.3265489E 21.3684162N 105.3265176E (4) 21.0006687N 105.8159158E 21.0007064N 105.8159758E (5) (1): Viện Ứng dụng Công nghệ - C6 Thanh Xuân -Hà Nội 7.861 7.508 (2): Quảng trường C1 – Đại học Bách khoa Hà Nội (3): Bộ Khoa học Công nghệ - Trần Duy Hưng – Hà Nội (4): Đền Giếng – Đền Hùng – Việt Trì – Phú Thọ (5): Cổng vào Royal City – Nguyễn Trãi – Hà Nội ➢ Nhận xét: Thiết bị thu GPS có độ xác