ĐỒ án tốt NGHIỆP 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 TƠT NGHIỆP Thiết kế thiết bị thu thập thông tin trường ứng dụng hệ thống quản lý, giám sát xe công 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 Bộ môn: Viện: Kỹ thuật đo & Tin học công nghiệp Điện Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Hoàng Sĩ Hồng Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 7/2021 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ tên: 20162674 Trần Hùng Mạnh Mã số sinh viên: 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 cơng 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 thơng tin gắn xe cơng trình phục vụ cho hệ thống quản lý, giám sát xe cơng trình, bao gồm: - Tính tốn thiết kế phần cứng: Mạch ngun 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 hồn 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 thông 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 Từ viết tắt GSHT OSI MCU DB RFID IC GPRS MQTT PCB GPS GNSS USART SPI LDO ADC IDE DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Tiếng anh Tiếng việt Giám sát hành trình Open Systems Interconnection Mơ hình kết nối hệ thống mở Micro Controller Unit Bộ vi điều khiển Database Cơ sở liệu Radio Frequency Identification Nhận dạng dùng sóng vơ tuyến Integrated Circuit Vi mạch tích hợp Dịch vụ liệu di động dạng General Packet Radio Service gói 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 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 Môi trường phát triển tích hợp LỜI MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Thiết bị giám sát hành trình (hay hộp đen) thiết bị bắt buộc phải lắp đặt phương tiện giao thông - cụ thể loại xe ô tô thuộc đối tượng quy định Nghị định số 91/2009/NĐ-CP nhằm giám sát hành trình xe Trong năm gần đây, với bùng nổ công nghệ thông tin internet, doanh nghiệp dần chuyển đổi số khơng thể khơng nhắc đến doanh nghiệp làm xây dựng Yêu cầu giám sát, quản lý đội xe xây dựng bao gồm xe lu, xe tải, máy xúc, cần cẩu ngày cao Tuy nhiên sử dụng thiết bị giám sát hành trình cho phương tiện giao thơng để sử dụng cho loại xe đặc thù mơi trường làm việc Từ tìm hiểu cụ thể đối tượng loại xe làm việc cơng trường tính chất, đặc điểm môi trường làm việc chúng, sở thiết bị giám sát hành trình thơng thường, em muốn tạo thiết bị thu thập thông tin trường gắn xe làm việc công trường ứng dụng hệ thống quản lý, giám sát xe cơng trình riêng doanh nghiệp MỤC ĐÍCH Đề tài “Thiết kế thiết bị thu thập thông tin trường ứng dụng hệ thống quản lý giám sát xe cơng trình” nhằm mục đích sau: - Tạo thiết bị có khả thu thập thơng tin trường bao gồm: • Nhiệt độ/ độ ẩm mơi trường làm việc • Nhiệt độ làm việc thiết bị • Điện áp làm việc ắc quy xe • Tọa độ tốc độ xe • ID người vận hành • Thơng tin xe • Thơng tin thời gian khởi động/ kết thúc phiên làm việc xe - Gửi thông tin thu thập lên hệ thống quản lí, giám sát riêng doanh nghiệp ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG Đối tượng áp dụng đề tài loại xe làm việc cơng trường xây dựng, nơi có điều kiện làm việc khắc nghiệt Phạm vi áp dụng: Áp dụng việc quản lý, giám sát xe công trường PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG Đề tài thực dựa sở thiết bị giám sát hành trình cho phương 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 Nhiệt độ ° Độ ẩm %RH Giá trị đo từ thiết bị Độ ẩm Nhiệt độ ° C %RH 26.0 50 30.0 78 C Phịng TN 25.5 45 76 Ngồi trời Hà 29.8 Nội (1) 55 38.5 60 Ngoài trời Hà 37.9 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 3.2.2 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 khơng 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 3.2.3 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: - 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 Kết đo từ thiết bị giám sát máy công trình Lat (1) (2) (3) Long Kết đo từ module Sparkfun RTK Surveyor Lat Sai số (m) Long 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 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 (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 7.861 7.508 > Nhận xét: Thiết bị thu GPS có độ xác Nhận xét: Thiết bị định vị bám sát theo quỹ đạo máy phát GPS phát ra, đồng thời gửi tọa độ lên Server Quãng đường ghi lại server quãng đường mô từ máy phát GPS * Test 3: Gắn thiết bị lên phương tiện Trong thời gian ảnh hưởng Covid-19 nên em chưa có điều kiện gắn thực tế lên máy cơng trình, emsử dụng tơ để test thiết bị - Hình 3.20 Thiết bị phải có khả lưu trữ lại tọa độ, vận tốc gửi lên Server - Hình 3.21 Hình 3.22 Hình 3.20 Test thiết bị ô tô Hình 3.21 Quãng đường ghi lại server [*] Hình 3.22 Thơng tin lưu lại thẻ SD Card > Nhận xét: Chức lưu liệu hoạt động bình thường, thiết bị bắt GPS, định vị vị trí bám sát quãng đường di chuyển thực tế xe * Test 4: gắn thiết bị lên xe, đăng nhập thẻ RFID hợp lệ, đợi xác nhận từ server để chắn tài xe đăng nhập thành công Cho xe di chuyển khoảng thời gian 15 phút, sau dừng lại phút, tiếp tục di chuyển phút, tiếp tục dừng lại phút, sau tiếp tục di chuyển 26 phút đăng xuất Sử dụng phần mềm trích xuất thông tin Tổng cục đường Việt Nam - Hình 3.23, kết nối phần mềm với thiết bị qua cổng RS232, tiến hành đọc phân tích liệu thiết bị Hình 3.23 Dữ liệu trích xuất phần mềm Tổng cục Dữ liệu chia thành vùng Hình 3.23, vùng (các thơng tin từ 01 - 09) thông tin cố định lưu thiết bị, vùng (các thông tin từ 10 - 18) thông tin lấy trực tiếp từ liệu thiết bị thời điểm nhận lệnh Hình 3.24 thơng tin thời gian làm việc liên tục tài xế từ lúc bắt đầu đăng nhập đến đăng xuất (từ 09h37” đến 10h36”) Hình 3.24 Thơng tin thời gian làm việc Hình 3.25 Thời gian dừng đỗ xe thiết bị ghi lại Hình 3.25 thời gian dừng đỗ thiết bị ghi lại, kịch bản, thời gian bắt đầu đăng nhập 9h36”, cho xe chạy 15” dừng lại phút,thiết bị ghi lại thời điểm dừng xe 9h52”, thời gian dừng lần thứ phút Tiếp tục cho xe chạy phút dừng lại phút, thiết bị ghi lại thời điểm dừng xe 10h03” thời gian dừng lần thứ hai phút Tiếp tục cho xe chạy 26 phút đăng xuất, thiết bị ghi nhận thời gian đăng xuất 10h36” Hình 3.26 Hình 3.27 thơng tin lộ trình tốc độ xe lưu thiết bị Hình 3.26 Dữ liệu hành trình lưu thiết bị Hình 3.27 Dữ liệu vận tốc giây lưu thiết bị Kiểm tra thông tin ca làm việc server, kết Hình 3.28 Hình 3.28 Kết lưu lại server > Nhận xét: Chức lưu trữ thơng tin trích xuất thơng tin qua phần mềm Tổng cục đường Việt Nam hoạt động tốt, kết lưu lại thiết bị server giống * Test 5: Cho thiết bị hoạt động bình thường, sau khoảng 10 phút hoạt động, tháo antenna thiết bị để ngắt kết nối với server, sau lắp lại, thiết bị phải có khả tự động kết nối lại với server Theo dõi log qua cổng debug đồng thời quan sát server để chắc thiết bị bị kết nối tự kết nối lại - Hình 3.29 Hình 3.29 Kiểm tra kết nối kết nối lại 3.2.4 Giao diện người quản lý Giao diện theo dõi thiết bị Hình 3.30 Tại người quản lý theo dõi danh sách, trạng thái vị trí thiết bị Hình 3.30 Giao diện theo dõi thiết bị [*] Giao diện theo dõi thông tin thiết bị - Hình 3.31 Tại người quản lý theo dõi thơng tin nhiệt độ, độ ẩm, lộ trình thiết bị gửi lên Hình 3.31 Giao diện theo dõi thơng số nhiệt độ độ ẩm [*] Cấu hình thiết bị từ server - Hình 3.32 Người quản lý cấu hình chu kì gửi thơng tin từ thiết bị lên server Hình 3.32 Cấu hình thiết bị từ server [*] Giao diện quản lý thẻ tài xế, theo dõi thời gian đăng nhập đăng xuất - Hình 3.33 Hình 3.33 Giao diện quản lý, theo dõi phiên làm việc tài xế [*] [*]: Đồ án nhúng hệ thống server + web + app ứng với đồ án bạn Nguyễn Viết Cảnh - Thiết kế hệ thống quản lý, theo dõi xe cơng trình giúp nâng cao hiệu vận hành cho doanh nghiệp xây dựng Do để có kết em sử dụng hệ thống giao diện người quản lý bạn Nguyễn Viết Cảnh xây dựng Phần giao diện cịn chưa hiển thị hết thơng số thiết bịgửi lên cụ thể phần quãng đường làm việc điện áp hoạt động ắc quy xe gắn thiết bị 3.3 Kết luận chương Ở CHƯƠNG 3, đồ án đưa kết đạt được, kịch test kết test Ở chương cuối đồ án, em trình bày tổng kết kết hạn chế đồ án, đồng thời đưa phương hướng phát triển tương lai CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận Sau thời gian thiết kế phần cứng phát triển firmware cho thiết bị, em thấy đạt kết sau: - Thiết kế thành công thiết bị: Bao gồm thiết kế mạch nguyên lý, thiết kế PCB thiết kế khí vỏ hộp cho thiết bị - Lập trình firmware để thiết bị hoạt động theo yêu cầu đặt - Hiểu rõ giao thức MQTT, chuẩn giao tiếp MCU với ngoại vi - Nâng cao kỹ tìm kiếm tài liệu, tổng hợp thơng tin, kĩ trình bày viết báo cáo Thiết bị em thiết kế đáp ứng yêu cầu sau: - Hoạt động ổn định thời gian dài Cụ thể liên tục ngày điều kiện phịng thí nghiệm mà khơng bị Reset Hoạt động liên tục 14 tiếng điều kiện mơi trường bên ngồi - Các chức định vị vị trí, đo thông số, lưu trữ liệu, RFID, truyền nhận liệu với server hoạt động mục tiêu đặt - Đáp ứng số test quy chuẩn 31 Bộ GTVT Tuy nhiên thời gian nghiên cứu thiết kế chưa đủ, thiết bị em vài hạn chế sau: - Các thông số đo chưa nhiều Thực tế doanh nghiệp xây dựng cần nhiều thông số cần đo - Do sử dụng mạng GSM/GPRS lỗi thời nên tốc độ hạn chế, khó mở rộng tương lai tích hợp nhiều tính hệ thống Mạng GSM/GPRS thường xuyên gặp tình trạng kết nối thiết bị hoạt động - Chức truyền liệu bị khơi phục kết nối chức trích xuất liệu chưa phát triển xong - Chưa có điều kiện gắn thiết bị với xe cơng trình thực tế để kiểm tra độ ổn định hoạt động môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, bụi, ồn rung lắc ) 4.2 Hướng phát triển tương lai Tiếp tục hoàn thành chức đặt ra, cụ thể chức truyền liệu bị thiết bị khơi phục kết nối với server Hồn thiện chức trích xuất liệu từ thiết bị Xem xét sử dụng mạng 4G tốc độ cao thay mạng 2G GPRS, vừa giúp thiết bị giao tiếp ổn định với server, vừa phục vụ việc mở rộng, phát triển tính tích hợp hệ thống tương lai Tối ưu kích thước PCB để giúp thiết bị nhỏ gọn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “wikipedia,” [Trực tuyến] https://en.wikipedia.org/wiki/Tachograph Available: [2] “techglobal,” [Trực tuyến] Available: http://techglobal.vn/tintuc/592.top-5-thiet-bi-giam-sat-hanh-trinh-hop-chuan-bgtvt.html [3] “vinaseco,” [Trực tuyến] Available: https://vinaseco.vn/so-hoa-quytrinh-cua-doanh-nghiep-buoc-di-moi-trong-nam-2021.html [4] Tapit, “tapit,” [Trực tuyến] Available: http://tapit.vn/tong-hop-cacbai-huong-dan-lap-trinh-vi-dieu-khien-stm32/ [5] SIMCOM, SIM800_Hardware Design_V1.10, 2020 [6] Toradex, Layout design guide, 2015 [7] QUECTEL, L70_Hardware Design_V2.0, 2013 [8] OASIS, “oasis,” [Trực tuyến] Available: open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqtt-v3.1.1-os.html http://docs.oasis- [9] “wikipedia,” [Trực tuyến] Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System [10] QUECTEL, L70_GPS_Protocol_Specification_V2.4, 2015 [11] SIMCOM, SIM800 Series_AT Command Manual_V1.12, 2020 [12] “hethongphapluat,” [Trực tuyến] Available: https://hethongphapluat.com/quy-chuan-ky-thuat-quoc-gia-qcvn-31 2014-bgtvt-ve-thiet-bi-giam-sat-hanh-trinh-cua-o-to.html ... dàng theo dõi, giám sát xe công 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 công trình ” làm đề tài Đồ án tốt nghiệp Để phục... công trường ứng dụng hệ thống quản lý, giám sát xe cơng trình riêng doanh nghiệp MỤC ĐÍCH Đề tài ? ?Thiết kế thiết bị thu thập thông tin trường ứng dụng hệ thống quản lý giám sát xe cơng trình? ?? nhằm... hệ thống bao gồm nhiều thiết bị thu thập thông tin gắn xe cần giám sát công trường Từ em đưa phương án thiết kế sau: - Phương án 1: Mỗi xe gắn thiết bị để quản lý, thu thập thông tin, thiết bị