TÌM HIỂU CHUNG VỀ GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH VÀ VẤN ĐỀ QUẢN LÝ, GIÁM SÁT XE TRONG CÁC DOANH NGHIỆP XÂY DỰNG HIỆN NAY
Tìm hiểu chung về Giám sát hành trình
Lịch sử ra đời của thiết bị giám sát hành trình
Thiết bị giám sát hành trình, hay còn gọi là Tachograph, đã trở nên quen thuộc với người dùng hiện đại, nhưng ít ai biết rằng nó đã có lịch sử phát triển hơn 100 năm Từ "Tachograph" được hình thành từ hai từ Hy Lạp: "Tachos" nghĩa là tốc độ và "Graphein" có nghĩa là ghi chép, từ đó mở rộng để chỉ thiết bị giám sát hành trình hiện nay.
Hình 1.1 Analog Tachograph thời đầu [1]
Tachograph analog đời đầu bao gồm hai phần chính: phần hiển thị thông số (Analog Tachograph Face) và phần ghi dữ liệu (Analog Tachograph Chart), như được minh họa trong Hình 1.2 và Hình 1.3.
Hình 1.2 Analog Tachograph Face [1]
Hình 1.3 Analog Tachograph Chart [1]
Cha đẻ của thiết bị giám sát hành trình là Max Maria von Weber (1822 -
Vào năm 1835, một kỹ sư người Đức đã hoàn thiện thiết kế và đưa vào hoạt động thiết bị giám sát hành trình đầu tiên, được lắp đặt trên tàu hỏa Tuy nhiên, vào thời điểm đó, thiết bị này ghi nhận thông tin còn hạn chế, không đáp ứng đủ nhu cầu của công chúng.
Từ năm 1902 đến 1920, thiết bị giám sát hành trình đã có những thay đổi đáng kể, cho phép ghi lại thông tin cơ bản về lái xe và phương tiện, xác nhận vị trí, quãng đường và vận tốc xe Sự ra đời của thiết bị giám sát hành trình ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và giám sát các doanh nghiệp kinh doanh vận tải.
Vào năm 1985, các nước thành viên Liên hiệp châu Âu (EU) đã bắt buộc lắp đặt thiết bị giám sát hành trình nhằm tối đa hóa lợi nhuận cho doanh nghiệp vận tải Điều này cho thấy sự nhận thức sớm về vai trò quan trọng của thiết bị này Sau nhiều lần cải tiến, thiết bị giám sát hành trình đã trở thành sản phẩm tích hợp nhiều tính năng hiện đại.
Vào ngày 8/3/2011, Bộ Giao thông vận tải Việt Nam đã ban hành Thông tư số 08/2011/TT-BGTVT, công bố Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về thiết bị giám sát hành trình ô tô, mã số QCVN 31:2011/BGTVT Theo quy định, từ ngày 01/07/2012, tất cả các xe ô tô phải lắp đặt thiết bị giám sát hành trình Trong gần 10 năm qua, nhiều mẫu thiết bị theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia đã được ra mắt trên thị trường, bao gồm sản phẩm từ các công ty lớn như Viettel, Vcomsat, và BA GPS Tất cả các sản phẩm này đều phải đảm bảo các chức năng cơ bản của thiết bị giám sát hành trình.
Tính năng ghi chép liên tục giúp lưu trữ thông tin quan trọng về xe và người lái, bao gồm hành trình di chuyển, tốc độ xe, số lần dừng đỗ, và thời gian làm việc của tài xế.
- Tính năng gửi dữ liệu lên máy chủ thông qua Internet
Tính năng tự kiểm tra cho phép người dùng theo dõi các tín hiệu báo trạng thái hoạt động, bao gồm tình trạng sóng GSM, GPS, kết nối với máy chủ và hoạt động của bộ nhớ, giúp đảm bảo thiết bị luôn hoạt động hiệu quả.
Ngoài các thông tin cơ bản đã nêu, thiết bị giám sát hành trình có thể được bổ sung thêm các chức năng quản lý khác tùy theo yêu cầu của doanh nghiệp vận tải.
15 khác Dưới đây là hình ảnh một số thiết bị giám sát hành trình có trên thị trường (Hình 1.4 và Hình 1.5)
Hình 1.4 Thiết bị giám sát hành trình của Viettel [2]
Hình 1.5 Thiết bị giám sát hành trình của VCOMSAT [2]
Cấu tạo chung của một thiết bị giám sát hành trình
Thiết bị giám sát hành trình, còn được biết đến với tên gọi hộp đen, là một thiết bị hoàn chỉnh với cấu tạo bao gồm các bộ phận chính.
Bộ xử lý trung tâm (CPU) đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và xử lý dữ liệu, đồng thời điều khiển mọi hoạt động của thiết bị Các vi điều khiển 8/16/32 bit thường được sử dụng, nhưng hiện nay, vi điều khiển lõi ARM 32 bit đang trở thành lựa chọn phổ biến nhất.
Bộ phận lưu trữ thông tin đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ các dữ liệu thu thập được trong quá trình vận hành thiết bị, phục vụ cho việc sử dụng trong tương lai Những thông tin này bao gồm thông tin về lái xe, thông tin của xe, thời gian vận hành và kết thúc phiên làm việc, hành trình và tốc độ của xe Hiện nay, các phương pháp lưu trữ phổ biến được áp dụng là thẻ nhớ SDCard và chip nhớ Flash.
- Bộ phận GPS: Nhiệm vụ là xác định vị trí ( Kinh độ, vĩ độ) và vận tốc di chuyển của xe
Bộ phận 2G/3G/4G có nhiệm vụ thiết lập kết nối TCP/IP qua hệ thống mạng 2G/3G/4G, cho phép thiết bị và máy chủ giao tiếp và trao đổi dữ liệu liên tục trong suốt quá trình hoạt động.
- Bộ phận nhận diện lái xe: Nhiệm vụ là xác định thông tin lái xe thông qua RFID hoặc Camera
- Bộ phận truyền thông RS232/485: phục vụ việc truy xuất dữ liệu được lưu trữ ngay tại thiết bị
Để thiết bị hoạt động hiệu quả, cần có các khối chức năng như cung cấp nguồn điện, nhận dữ liệu đầu vào từ các cảm biến và điều khiển các cơ cấu chấp hành thông qua khối đầu ra.
Hình 1.6 là các thành phần của một thiết bị GSHT thông thường trên thị trường hiện nay
Hình 1.6 Các thành phần của một bộ thiết bị GSHT [2]
Lợi ích của việc sử dụng thiết bị giám sát hành trình
Thiết bị giám sát hành trình giúp xác định được chính xác vị trí xe khi đang di chuyển (Hình 1.7):
Nhu cầu theo dõi vị trí xe ngày càng trở nên quan trọng đối với nhiều chủ xe và nhà quản lý doanh nghiệp Việc lắp đặt thiết bị giám sát hành trình không chỉ giúp xác định vị trí xe khi cho thuê hoặc mượn, mà còn hỗ trợ chủ xe nhanh chóng phát hiện vị trí xe trong trường hợp bị đánh cắp, từ đó dễ dàng báo cáo cơ quan chức năng để tìm kiếm.
Hình 1.7 Lắp thiết bị GSHT để theo dõi phương tiện [2]
Vấn đề quản lý, giám sát xe trong cách doanh nghiệp xây dựng
Giai đoạn 2010-2016, số lượng doanh nghiệp xây dựng tại Việt Nam tăng trưởng trung bình 7,3% mỗi năm, phản ánh sự phát triển mạnh mẽ của ngành Tăng trưởng này diễn ra ở hầu hết các địa phương trên cả nước và không phân biệt thành phần kinh tế, mặc dù khu vực doanh nghiệp nhà nước có xu hướng giảm do chính sách cổ phần hóa.
Theo Tổng điều tra kinh tế năm 2017, tính đến ngày 31/12/2016, Việt Nam có 65.306 doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực xây dựng, chiếm khoảng 13% tổng số doanh nghiệp đang hoạt động, tăng 1,5 lần so với năm 2010.
Hình 1.9 Số lượng doanh nghiệp tại thời điểm 31/12 hàng năm [3]
Theo Tổng cục Thống kê, năm 2018 ghi nhận 16.735 doanh nghiệp xây dựng mới, chiếm 12,7% tổng số doanh nghiệp thành lập, tăng 4,4% so với năm trước Phần lớn doanh nghiệp xây dựng, đặc biệt là các doanh nghiệp vừa và nhỏ, vẫn hoạt động theo phương pháp truyền thống và chưa áp dụng công nghệ trong quản lý, giám sát và vận hành Việc quản lý hệ thống xe công trình chủ yếu vẫn dựa vào con người trực tiếp tại hiện trường, phương pháp này có những ưu điểm và nhược điểm riêng.
Phương pháp truyền thống này đã được áp dụng lâu dài, mang lại nhiều ưu điểm cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ với số lượng xe công trình hạn chế, giúp dễ dàng thực hiện và phù hợp với nhu cầu của họ.
Nhược điểm của việc sử dụng con người trực tiếp trong quản lý và giám sát tại hiện trường là tính minh bạch và chính xác của thông tin không được đảm bảo Thêm vào đó, khi doanh nghiệp mở rộng với số lượng xe công trình lớn, việc kiểm soát và quản lý trở nên khó khăn hơn.
Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, việc ứng dụng công nghệ vào quản lý và giám sát hoạt động của các doanh nghiệp xây dựng là rất cần thiết Việc xây dựng hệ thống quản lý và giám sát máy công trình giúp thu thập thông tin một cách chính xác và đầy đủ, cho phép chủ doanh nghiệp theo dõi và đưa ra quyết định từ xa Các loại máy móc và xe công trình có thể được phân loại theo mục đích sử dụng, với nhiều loại phổ biến được thể hiện trong hình ảnh minh họa.
Hình 1.10 Một số loại máy và xe công trình phổ biến [3]
Các loại xe công trình thường hoạt động tại công trường, tiếp xúc lâu dài với môi trường bên ngoài, tạo nên một môi trường làm việc đặc thù Do đó, việc sử dụng thiết bị giám sát hành trình thông thường của xe ô tô cho xe công trình là không hợp lý.
- Môi trường làm việc khắc nghiệt, yêu cầu thiết bị phải có khả năng vận hành ổn định trong thời gian dài ở môi trường này
Trong lĩnh vực xây dựng, việc quản lý, giám sát và lập báo cáo về lượng tiêu thụ nhiên liệu, đặc biệt là dầu, là yêu cầu vô cùng cần thiết đối với các chủ doanh nghiệp Điều này khác biệt so với các phương tiện giao thông thông thường, nơi mà những yêu cầu này không quá quan trọng.
Các thiết bị giám sát hành trình hiện nay được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau đều tích hợp một hệ thống quản lý và giám sát hiệu quả.
21 riêng, khó tích hợp chung đối với hệ thống quản lý giám sát sẵn có của doanh nghiệp
Hiện nay, các thiết bị giám sát hành trình trên thị trường chưa đáp ứng đầy đủ yêu cầu trong việc quản lý và giám sát máy công trình Thực tế, số lượng thiết bị chuyên dụng cho mảng giám sát máy công trình vẫn còn hạn chế.
Xây dựng giải pháp thiết kế hệ thống
Việc thiết kế thiết bị thu thập dữ liệu hiện trường cho hệ thống quản lý và giám sát máy công trình mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng tối ưu hóa quy trình làm việc, nâng cao hiệu quả giám sát và quản lý, đồng thời cải thiện độ chính xác trong việc thu thập thông tin.
- Phù hợp với đặc thù công việc
- Phù hợp với điều kiện môi trường làm việc
- Dễ dàng tích hợp vào hệ thống quản lý riêng của doanh nghiệp
Đồ án đề xuất giải pháp thiết kế và chế tạo thiết bị trung gian giữa người quản lý và xe công trình, nhằm thu thập thông tin tại hiện trường một cách liên tục, chính xác và hiệu quả Giải pháp này sẽ dựa trên nền tảng của thiết bị giám sát hành trình thông thường, được điều chỉnh để phù hợp với đặc thù của xe công trình.
Xây dựng yêu cầu của hệ thống
Dựa trên giải pháp đã trình bày ở mục 1.3, đồ án sẽ nêu rõ các yêu cầu thiết kế cho các thành phần bao gồm: thiết bị gắn xe, vỏ hộp thiết bị và giao diện người dùng.
* Các yêu cầu đối với Server và Database:
Thiết bị trong đồ án được tích hợp vào hệ thống quản lý theo dõi xe công trình, nhằm nâng cao hiệu quả vận hành trong doanh nghiệp xây dựng Việc thu thập dữ liệu để giám sát máy công trình là một phần quan trọng của hệ thống này Do đó, cần phát triển một giao diện web để hiển thị và theo dõi thông tin Tôi đã đề ra các yêu cầu cụ thể đối với server và giao diện web để đảm bảo tính hiệu quả và dễ sử dụng.
Giao diện web cần phải thân thiện và dễ sử dụng, đảm bảo các chức năng cơ bản như hiển thị thông tin từ thiết bị gửi lên, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ, trạng thái hoạt động và vị trí của xe Ngoài ra, cần có khả năng vẽ lại hành trình di chuyển của thiết bị, trích xuất dữ liệu hành trình, quản lý thời gian làm việc của lái xe và cấu hình thiết bị từ server.
- Đối với server, yêu cầu phải có khả năng xử lý được luồng dữ liệu từ nhiều thiết bị gửi lên
Để đảm bảo hiệu quả quản lý, cơ sở dữ liệu cần có khả năng lưu trữ thông tin về phiên làm việc của lái xe, lộ trình của xe trong ít nhất 30 ngày, cùng với các dữ liệu thu được từ cảm biến mà thiết bị gửi lên.
* Đối với thiết bị gắn xe và vỏ hộp:
Thiết bị phải đáp ứng được các chức năng cơ bản sau:
Xác định tài xế bằng công nghệ RFID giúp ghi lại thời gian bắt đầu và kết thúc phiên làm việc, từ đó cho phép xác định thời gian làm việc liên tục của tài xế một cách chính xác.
- Xác định vị trị của xe thông qua GPS
- Đo tốc độ di chuyển thông qua GPS và qua cảm biến tiệm cận, từ đó xác định được thời gian và quãng đường di chuyển
- Đo thông số về môi trường như nhiệt độ độ ẩm, điện áp làm việc của ắc quy
- Gửi tất cả các thông số đo được lên server
- Cho phép cấu hình từ server
- Hiển thị trạng thái làm việc, trạng thái GPS, trạng thái kết nối với server, tình trạng bộ nhớ thông qua màn hình hoặc đèn led
- Lưu trữ các thông số đo được vào bộ nhớ Cho phép trích xuất dữ liệu từ bộ nhớ qua phần mềm của bộ GTVT
Ngoài ra thiết bị phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- Khả năng làm việc ổn định trong thời gian dài ở điều kiện khắc nghiệt (Nhiệt độ và độ ẩm thay đổi; bụi; rung lắc; …)
- Khả năng kết nối ổn định với server
- Khả năng lưu trữ dữ liệu trong thời gian tối thiểu 30 ngày Đối với vỏ hộp, yêu cầu như sau:
- Có kết cấu chắc chắn, phải có khả năng bảo vệ phần mạch bên trong khỏi các tác nhân bên ngoài như nhiệt độ, độ ẩm, bụi, rung lắc
- Khả năng chịu lực cao Không bị nứt vỡ khi chịu ngoại lực mạnh tác động vào
- Khả năng lắp đặt vào xe
* Cách thức hoạt động của thiết bị:
Khi thiết bị được gắn lên xe, nó sẽ nhận nguồn trực tiếp từ ắc quy Trong thời gian chưa có tài xế đăng nhập, thiết bị liên tục đo lường và gửi dữ liệu lên server để theo dõi Khi tài xế quét thẻ RFID để đăng nhập, thiết bị sẽ kiểm tra tính hợp lệ của ID với server Nếu ID hợp lệ, tài xế sẽ được xác nhận đã đăng nhập thành công, và thiết bị sẽ bắt đầu ghi nhận thời gian làm việc cho đến khi tài xế quét thẻ RFID để đăng xuất Thông tin đăng xuất cùng với thời gian làm việc sẽ được đồng bộ hóa lên server.
Tần suất gửi thông tin lên server được điều chỉnh theo thời gian trong ngày, với việc giảm tần suất gửi khi xe không di chuyển trong thời gian dài Đồng thời, các thiết bị ngoại vi không cần thiết sẽ được tắt để tiết kiệm năng lượng.
Kết luận chương
Trong Chương 1, đồ án đã tiến hành khảo sát về quản lý và giám sát xe trong các doanh nghiệp xây dựng hiện nay, đồng thời nghiên cứu tình hình và phân tích những ưu, nhược điểm của các hệ thống liên quan đang có tại Việt Nam.
Bài viết này nêu ra 23 vấn đề cần giải quyết để phát triển một giải pháp tổng thể cho hệ thống thiết kế Tiếp theo, các yêu cầu cụ thể cho từng phần của hệ thống sẽ được xác định nhằm đạt được mục tiêu của đồ án Dựa trên những yêu cầu này, CHƯƠNG 2 sẽ tìm kiếm các lựa chọn và đưa ra thiết kế phù hợp nhất với bài toán đã đề ra.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Thiết kế tổng thể
Khi thiết kế hệ thống thu thập thông tin hiện trường, tôi dựa trên nền tảng của hệ thống giám sát hành trình cho xe ô tô thông thường Hệ thống này bao gồm nhiều thiết bị thu thập thông tin được gắn trên các xe cần giám sát tại công trường Từ đó, tôi đề xuất hai phương án thiết kế khác nhau.
Mỗi xe sẽ được trang bị một thiết bị quản lý để thu thập thông tin, cho phép các thiết bị trong xe giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu lên một thiết bị chính, từ đó gửi thông tin lên server.
Phương án 2 đề xuất gắn thiết bị quản lý độc lập cho mỗi xe, cho phép kết nối trực tiếp với server để truyền và nhận dữ liệu, phục vụ cho hệ thống giám sát Khác với phương án 1, nơi các thiết bị cần phải chung chuẩn giao tiếp không dây như wifi, lora hay zigbee, phương án 2 sử dụng mạng GSM/GPRS, giúp mở rộng phạm vi hoạt động và giảm độ trễ trong việc gửi và nhận dữ liệu Việc này không chỉ tối ưu hóa chi phí mà còn khắc phục hoàn toàn những hạn chế của phương án đầu tiên, đảm bảo rằng thiết bị có thể hoạt động hiệu quả ở bất kỳ đâu có sóng GSM/GPRS Hình 2.1 minh họa sơ đồ tổng quát cho phương án này.
Hệ thống thiết kế được trình bày trong sơ đồ tổng quan, với mô hình kết nối giữa các thiết bị gắn xe và server Trong việc lựa chọn giao thức, tôi đã dựa trên mô hình bảy tầng OSI để đảm bảo tính hiệu quả và khả năng tương thích trong quá trình truyền tải dữ liệu.
Hình 2.2 Mô hình 7 tầng OSI
Trong 7 tầng, em sẽ lựa chọn các giao thức liên quan đến đồ án như sau:
* Lựa chọn giao thức tầng vật lý (Physical Layer):
Như đã trình bày ở trên, đồ án lựa chọn sử dụng mạng GSM/GPRS để truyền nhận dữ liệu với server
Trong đồ án này, giao thức TCP được lựa chọn cho tầng giao vận nhằm đảm bảo việc truyền dữ liệu giữa server và thiết bị diễn ra một cách toàn vẹn và đáng tin cậy.
* Lựa chọn giao thức tầng ứng dụng (Application):
Mặc dù giao thức TCP cho phép kết nối và trao đổi dữ liệu giữa server và thiết bị, nhưng khối lượng công việc sẽ tăng lên do cần xử lý thêm các gói tin ở tầng giao vận, bên cạnh việc xử lý của tầng ứng dụng.
Hiện nay, nhiều giao thức ở tầng ứng dụng như HTTP và MQTT đã được phát triển, giúp xử lý hiệu quả các gói tin TCP và đang được sử dụng rộng rãi.
Do hạn chế về khả năng xử lý của thiết bị phần cứng và băng thông mạng không ổn định, việc đảm bảo kích thước gói tin nhỏ gọn và sử dụng giao thức tiết kiệm băng thông là rất quan trọng Vì vậy, giao thức MQTT đã được lựa chọn cho đồ án này nhằm đáp ứng nhu cầu đó.
Bài viết tập trung vào việc thiết kế tổng quan và các khối cấu thành của thiết bị thu thập thông tin hiện trường, hay còn gọi là thiết bị giám sát máy công trình Hệ thống trong mỗi thiết bị được chia thành các khối như được thể hiện trong Hình 2.3.
Hình 2.3 Sơ đồ thiết kế thiết bị giám sát máy công trình
Chức năng của từng khối được trình bày ngắn gọn như sau:
Khối 1 - Khối nguồn là trái tim của thiết bị, quyết định sự vận hành ổn định của nó Khối này nhận điện áp trực tiếp từ ắc quy xe công trình (12-24-36VDC) và chuyển đổi thành các mức điện áp phù hợp cho các thành phần khác Các mức điện áp bao gồm 12 VDC cho tải bên ngoài, 5VDC cho các thiết bị ngoại vi, 4.2VDC cho khối GSM/GPRS và 3.3VDC cho các khối còn lại.
Khối 2 – Khối hiển thị và thông báo là phần thiết yếu giúp người vận hành xe hoặc máy công trình nắm bắt trạng thái hoạt động của thiết bị Khối này bao gồm hệ thống đèn LED báo trạng thái như Nguồn, GPS, GSM và RFID, cùng với màn hình OLED 1.3” và còi buzzer để thông báo các thông tin quan trọng đến người sử dụng.
Khối 3 – Khối Flash/SD Card đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ thông tin giám sát cho các thiết bị Để đảm bảo việc sử dụng hiệu quả trong tương lai, thông tin cần được lưu trữ liên tục trong ít nhất 30 ngày.
Hệ thống lưu trữ dữ liệu xe hoạt động 24/24, ghi lại thông tin về tốc độ và vị trí trong ít nhất 30 ngày Ngoài ra, nó cũng lưu trữ các thông tin khác liên quan đến xe, thiết bị và người lái Để đảm bảo hiệu suất cao, tôi sử dụng thẻ SDcard kết hợp với chip nhớ flash tốc độ cao cho việc lưu trữ này.
Khối 4 – Khối RFID là hệ thống nhận dạng người lái, sử dụng các công nghệ hiện đại như thẻ RFID, vân tay, mã QR/mã vạch và mật khẩu cá nhân Sau khi phân tích, tôi chọn thẻ RFID vì tính tiện lợi, dễ sử dụng và độ bảo mật cao Hệ thống sử dụng đầu đọc RFID với tần số hoạt động 13.56Mhz, tuân thủ quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về thiết bị GSHT.
Khối 5 – Khối MCU đóng vai trò là bộ não của thiết bị, đảm nhận việc xử lý và tính toán các nhiệm vụ đã được lập trình sẵn Để đáp ứng nhanh chóng các yêu cầu về tốc độ và khả năng tương tác với các thiết bị ngoại vi, chip ARM Cortex M3 sẽ được lựa chọn sử dụng.
ST, cụ thể là STM32F103RCT6 Lý do lựa chọn và tính toán sẽ được trình bày chi tiết ở phần thiết kế phần cứng
- Khối 6 – Khối cảm biến IN/OUT: Đây là khối phục vụ việc chuẩn hóa, nhận tín hiệu từ các cảm biến để đưa vào MCU
- Khối 7 – Khối RS232/Debug: Khối này nhằm gửi các thông tin phục vụ yêu cầu đọc dữ liệu từ phần mềm phân tích dữ liệu của bộ GTVT
Thiết kế sơ đồ nguyên lý
Dựa trên sơ đồ khối tổng thể của hệ thống đã được trình bày, phần này của báo cáo sẽ tập trung vào việc thiết kế, tính toán và lựa chọn linh kiện cho từng khối cụ thể.
Sau khi hoàn thành sơ đồ khối, dự án tiếp tục với việc thiết kế sơ đồ nguyên lý Hình 2.5 trình bày chi tiết các sơ đồ khối phần cứng được kết nối với nhau.
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý tổng thể thiết bị
Khối nguồn là bộ phận cung cấp năng lượng cho toàn bộ thiết bị, được xem như trái tim của thiết bị, ảnh hưởng đến sự ổn định và tuổi thọ của nó Việc thiết kế khối nguồn một cách cẩn thận là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động liên tục Để thực hiện điều này, cần xác định mức tiêu thụ năng lượng của các thành phần chính trong mạch, thông qua Datasheet của từng linh kiện Đối với MCU STM32F103RCT6, mức tiêu thụ năng lượng có thể được tham khảo từ công cụ STM32CubeMX do STMicroelectronics cung cấp, cho thấy dòng tiêu thụ của MCU khi tất cả các ngoại vi hoạt động là khoảng 41mA.
Năng lượng tiêu thụ trung bình của MCU khi tất cả các ngoại vi hoạt động đồng thời được thể hiện trong Hình 2.6 Đối với các thành phần khác, tôi đã tham khảo Datasheet từ các nhà cung cấp để ước lượng tương đối năng lượng tiêu thụ trung bình, như được trình bày trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Mức độ tiêu thụ năng lượng của các khối chính trong mạch
STT Khối chính Tác vụ tiêu thụ Điện áp sử dụng (V)
1 STM32F103RCT6 Tất cả ngoại vi cần thiết hoạt động đồng thời
2 OLED 1.3” Hiển thị ( Nền đen Chữ trắng, độ sáng từ 31-255)
3 RFID Quét mã thẻ RFID 3.3 ≈ 13 - 26
5 Đèn led, còi Sáng đèn, bật còi 3.3 ≈ 100
6 Sensor Đo nhiệt độ và độ ẩm 3.3 ≈ 2
7 RS232/Debug Truyền, nhận dữ liệu 5 ≈ 10
8 Flash/SDcard Đọc, ghi dữ liệu 3.3 ≈ 100
Module SIM800 có nhiều chế độ hoạt động khác nhau, dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng biến đổi tùy theo từng chế độ Do đó, cần thiết kế một hệ thống nguồn riêng biệt cho module này, tách rời khỏi các thành phần khác của thiết bị Bảng 2.2 cung cấp thông tin chi tiết về mức tiêu thụ năng lượng của module SIM800 trong các chế độ hoạt động khác nhau.
Bảng 2.2 Mức tiêu thụ năng lượng của module SIM800
Từ bảng trên ta có thể thấy rằng, có thời điểm module SIM800 có thể tiêu thụ
1 dòng cỡ 2A Do đó cần phải tính toán thiết kế nguồn riêng cho module SIM800 tách biệt với nguồn cho các thành phần còn lại của hệ thống
Theo Bảng 2.1 và Bảng 2.2, thiết bị yêu cầu nguồn điện tối đa là 3A, có thể dễ dàng cung cấp từ ắc quy xe Module SIM800 cần dòng 2A trong thời gian ngắn (khoảng μs), vì vậy tôi sẽ thiết kế mạch nguồn Buck 3.5A riêng cho SIM800 Các thành phần khác trong hệ thống sẽ được cấp nguồn qua các mạch LDO riêng biệt.
Điện áp cung cấp cho thiết bị từ ắc quy xe có dải dao động từ 12V-36VDC và cần có hệ thống bảo vệ để tránh hư hại trong quá trình khởi động hoặc tắt máy Hệ thống bảo vệ bao gồm khối bảo vệ quá áp/quá dòng, bảo vệ chống ngược cực và lọc điện áp đầu vào Cầu chì tự phục hồi F1 (40V-3.5A) được sử dụng để bảo vệ quá áp/quá dòng, trong khi tụ chống sét C3 giúp bảo vệ thiết bị khỏi xung cao áp Diode D1 (5A-60V) bảo vệ chống ngược cực, và cuộn lọc L1 cùng hai tụ C1, C2 tần số cao được sử dụng để lọc phẳng điện áp vào.
Hình 2.7 Khối bảo vệ, lọc điện áp đầu vào
Chế độ Tần số hoạt động Mức tiêu thụ
2.2.1.1 Thiết kế mạch nguồn Buck cho SIM800 Điện áp VIN sau khối này có thể nói là đã khá đẹp và có thể dùng để cấp cho hệ thống mạch LDO và mạch Buck ở sau Đối với module SIM800, cần thiết kế một mạch Buck riêng Các thông số cơ bản đối với mạch Buck này như sau:
IC nguồn TPS54360 của hãng TI là lựa chọn lý tưởng nhờ vào chất lượng cao, giá thành hợp lý và hiệu suất chuyển đổi vượt trội Sản phẩm này rất phù hợp cho các thiết bị yêu cầu tính nhỏ gọn Dưới đây là một số tính năng nổi bật của IC này.
- Dải điện áp vào rộng: 4.5V-60V
- Dòng liên tục cỡ 3.5A, có thể peak lên 4.5A
- Dòng không tải nhỏ ~ 146uA
- Tự động lock chip khi VIN
