Nghiên cứu, chế tạo hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu trên ô tô đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .i BẢN TÓM TẮT ĐỒ ÁN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU viii DANH MỤC CÁC HÌNH ix DANH MỤC CÁC BẢNG xii MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Lí chọn đề tài 1.2 Xu hướng nghiên cứu giới 1.3 Các hướng nghiên cứu nước .4 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT .5 2.1 Tìm hiểu mạng CAN (Control Area Network) 2.1.1 Sơ lược lịch sử mạng CAN 2.1.2 Chuẩn giao thức CAN 2.1.2.1 Truyền tốc độ thấp .6 2.1.2.2 Truyền tốc độ cao 2.1.2.3 Các mức trạng thái trội lặn 2.1.3 Cơ chế giao tiếp .8 2.1.4 Cấu trúc điện .9 2.1.4.1 Khung tiêu chuẩn .9 2.1.4.2 Khung mở rộng 10 2.2 Tìm hiểu chuẩn OBD2 .11 2.2.1 Tổng quan chuẩn OBD2 11 2.2.2 Tìm hiểu giắc OBD2 11 2.2.3 Tìm hiểu OBD2 PID 13 2.2.4 Mối liên hệ CAN OBD2 15 2.3 Giới thiệu GPS, GSM, GPRS 18 2.3.1 Tìm hiểu GPS 18 2.3.2 Tìm hiểu GSM 20 iv 2.3.3 Tìm hiểu GPRS 20 2.4 Khảo sát để lựa chọn module GPS/GSM/GPRS 21 2.4.1 Mạch GSM GPRS GPS BDS A9G 21 2.4.2 Module GPS U-Blox NEO-M8N-0-10 22 2.4.3 Module GPS NEO-6M 7N APM2.5 23 2.4.4 Module GSM/GPS SIM908 Easy 24 2.4.5 Module GSM/GPRS/GPS A7 25 2.4.6 Module SIM868 Coreboard GSM/GPRS/GPS/Bluetooth .26 2.4.7 So sánh module GPS/GPRS/GSM 27 2.5 Cảm biến gia tốc .28 2.6 Giới thiệu NodeJS 31 2.7 Giao thức MQTT 32 2.7.1 Khái niệm MQTT 32 2.7.2 Cấu trúc MQTT .33 2.7.3 Ưu điểm MQTT .34 2.7.4 Một số khái niệm MQTT 34 2.8 Internet of Thing (IoT) 36 2.8.1 Khái niệm IoT 36 2.8.2 Ứng dụng IoT 36 2.8.3 Các mơ hình IoT ứng dụng xe ô tô 37 2.8.3.1 Ứng dụng Dash 38 2.8.3.2 Hệ thống ADAS dòng xe cao cấp 38 2.8.3.3 Đỗ xe thông minh IoT .40 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT, LỰA CHỌN PHẦN CỨNG VÀ CÁC NỀN TẢNG HỖ TRỢ 43 3.1 Khảo sát mơ hình tương tự .43 3.1.1 Thiết bị khám xe Micas 43 3.1.2 Hệ thống quản lý đội xe (FMS) 44 3.1.3 Các đồ án trước 45 3.2 Thiết kế mơ hình hệ thống 46 3.2.1 Tổng quan mơ hình hệ thống .46 v 3.2.2 Sơ đồ khối hệ thống .47 3.3 Khảo sát lựa chọn thiết bị phần cứng 48 3.3.1 Kit RF thu phát Wifi BLE ESP32 NodeMCU LuaNode32 48 3.3.2 Module GPS 50 3.3.3 Mạch giảm áp 3A LM2596S 50 3.3.4 Mạch chuyển đổi giao tiếp CAN MCP2515 51 3.3.5 Cảm biến gia tốc MPU6050 52 3.3.6 Mạch mở rộng giao tiếp I2C 53 3.4 Khảo sát chọn lựa tảng Cloud Computing 56 3.4.1 Tổng quan Cloud Computing 56 3.4.2 Nền tảng Amazon Web Service .58 3.5 Khảo sát lựa chọn cơng nghệ lập trình, hệ sở liệu 60 3.5.1 Xây dựng MQTT broker với Aedes .60 3.5.2 Cơ sở liệu truy vấn không cấu trúc MongoDB 60 3.5.3 Kết nối tới MongoDB server với NodeJS 61 3.5.4 Xây dựng trang web với Express NodeJS 61 CHƯƠNG THI CƠNG MƠ HÌNH VÀ KẾT QUẢ KIỂM TRA GIAO TIẾP VỚI ECU CỦA XE TOYOTA YARIS 2009 .63 4.1 Các thiết bị mơ hình 63 4.2 Mô hình thiết bị thực tế 66 4.2.1 Tổng quan thiết bị 66 4.2.2 Sơ đồ khối thiết bị 67 4.2.3 Sơ đồ nguyên lý 68 4.2.4 Thiết kế vỏ hộp phần mềm CATIA V5 R26 CorelDRAW X7 69 4.3 Các lưu đồ thuật toán Gateway 70 4.3.1 Tác vụ cài đặt 70 4.3.2 Vịng lặp .71 4.3.3 Tác vụ cài đặt mềm 72 4.4 Các lưu đồ thuật toán Server Client .72 4.4.1 Nhận lọc gói tin MQTT 72 4.4.2 Web Server xử lý tác vụ từ Web client 73 vi 4.4.3 Client gửi yêu cầu xử lý liệu trả từ Server 74 4.5 Kết kiểm tra giao tiếp hộp Gateway với ECU Toyota Yaris 2009 74 CHƯƠNG QUY TRÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 76 5.1 Thiết lập quy trình kiểm thử hoạt động hệ thống 76 5.2 Kết chạy thực nghiệm xe Vios 2009 79 5.2.1 Dữ liệu thu giao diện máy tính 79 5.2.2 Phân tích kết thực nghiệm .81 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 86 6.1 Kết luận 86 6.2 Hướng phát triển đề tài .87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ADC: Analogue to Digital Converter AWS: Amazon Web Service CNKT: công nghệ kỹ thuật DAC: Digital Analog Converter DC: Direct Current DGPS: Defferential GPS DSP: Digital Motion Processor ĐATN: đồ án tốt nghiệp EC2: Elastic Computer Cloud FIFO: first-in, first-out GVHD: giảng viên hướng dẫn IDE: Integrated Development Environment IEPE: Internal Electronic Piezoelectric JSON: JavaScript Object Notation MIPS: Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages MQTT: Message Queuing Telemetry Transport OASIS: Organization for the Advancement of Structured Information Standards OTA: Over the air PID: Parameter Identifier QCVN: quy chuẩn Việt Nam RISC: Reduced Instructions Set Computer SCL: Serial Clock Line SDA: Serial Data Line SMBUS: System Management Bus SPI: Serial Peripheral Interface SSID: Service Set Identifier SVTH: sinh viên thực UART: Universal Asynchronous Receiver / Transmitter VĐK: vi điều khiển viii DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 2.1 Điện áp hoạt động hai dây CAN_H CAN_L CAN tốc độ cao Hình 2.2 Điện áp hoạt động hai dây CAN_H CAN_L CAN tốc độ thấp Hình 2.3 Khung liệu khung tiêu chuẩn Hình 2.4 Khung mở rộng 10 Hình 2.5 Phân loại giắc OBD2 12 Hình 2.6 Thứ tự chân giắc OBD2 12 Hình 2.7 Minh họa mối liên hệ CAN OBD2 15 Hình 2.8 Các chân có giắc cắm OBD2 xe 15 Hình 2.9 Khung chứa tin nhắn nhận qua OBD2 17 Hình 2.10 Phân tích ý nghĩa liệu 17 Hình 2.11 GPS 18 Hình 2.12 Logo GSM 20 Hình 2.13 Module GSM GPRS GPS BDS A9G 21 Hình 2.14 Module GPS U-Blox NEO-M8N-0-10 22 Hình 2.15 Module GPS GPS NEO-6M 23 Hình 2.16 Module GSM/GPS SIM908 Easy 24 Hình 2.17 Module GSM/GPRS/GPS A7 25 Hình 2.18 Module SIM868 Coreboard GSM/GPRS/GPS/Bluetooth 26 Hình 2.19 Cảm biến gia tốc MPU6050 29 Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý cảm biến MPU6050 30 Hình 2.21 Logo NodeJS 31 Hình 2.22 Sơ đồ cấu trúc giao thức MQTT 33 Hình 2.23 Giao diện ứng dụng Dash điện thoại thông minh 38 Hình 2.24 Một số thiết bị hỗ trợ ADAS hãng Advantech 40 Hình 2.25 Bố trí cảm biến camera, xử lý thu nhận thông tin 41 Hình 2.26 Bãi đỗ xe thơng minh Đà Nẵng 42 Hình 3.1 Thiết bị khám xe thông minh Micas 43 Hình 3.2 Giao diện App Micas điện thoại thông minh 44 Hình 3.3 Mơ hình hệ thống FMS 45 ix Hình 3.4 Sơ đồ tổng quát hệ thống 47 Hình 3.5 Sơ đồ khối Tracking module 47 Hình 3.6 Giao diện Web UI 48 Hình 3.7 Kit RF thu phát Wifi BLE ESP32 NodeMCU LuaNode32 49 Hình 3.8 Module GPS U-Blox NEO-M8N-0-10 50 Hình 3.9 Mạch giảm áp LM2596S 50 Hình 3.10 Mạch chuyển đổi giao tiếp CAN MCP2515 51 Hình 3.11 Cảm biến gia tốc MPU6050 52 Hình 3.12 Xung đột địa giao tiếp I2C 53 Hình 3.13 Module mở rộng giao tiếp I2C TCA9548A 53 Hình 3.14 Sơ đồ ứng dụng đơn giản hóa TCA9548A 54 Hình 3.15 Các thành phần byte địa TCA9548A 55 Hình 3.16 Mơ hình Cloud Computing 56 Hình 3.17 Top tảng Cloud Computing phổ biến 58 Hình 3.18 Các dịch vụ AWS 60 Hình 3.19 Tạo MQTT broker đơn giản 60 Hình 3.20 Tạo Web Server hoạt động mạng local máy tính cá nhân 62 Hình 4.1 ECU Toyota Yaris 63 Hình 4.2 Sơ đồ chân ECU Toyota Yaris 2009 63 Hình 4.3 Đầu Jack OBD2 64 Hình 4.4 Cáp kết nối OBD2 64 Hình 4.5 Cảm biến MPU6050 65 Hình 4.6 Mơ hình thiết bị hộp Gateway 66 Hình 4.7 Mặt trước thiết bị 66 Hình 4.8 Mặt sau thiết bị 66 Hình 4.9 Cấu tạo bên mạch Gateway 67 Hình 4.10 Sensor 67 Hình 4.11 Sơ đồ khối module thiết bị 67 Hình 4.12 Sơ đồ hệ thống 68 Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý thiết bị 69 Hình 4.14 Thiết kế vỏ hộp phần mềm CATIA V5 R26 69 x Hình 4.15 Thiết kế nhãn dán phần mềm CorelDRAW X7 69 Hình 4.16 Tác vụ cài đặt 70 Hình 4.17 Vịng lặp .71 Hình 4.18 Tác vụ cài đặt mềm 72 Hình 4.19 Nhận lọc gói tin MQTT 72 Hình 4.20 Web Server xử lý tác vụ từ Web client 73 Hình 4.21 Client gửi yêu cầu xử lý liệu trả từ Server 74 Hình 4.22 Dữ liệu gửi Server lưu vào sở liệu 75 Hình 4.23 Các gói tin CAN thu 75 Hình 4.24 Kết thu sau phân tích gói tin CAN 75 Hình 5.1 Các thiết bị hệ thống 76 Hình 5.2 Hộp thiết bị cảm biến gia tốc đặt phía trước xe 77 Hình 5.3 Hai cảm biến gia tốc đặt phía sau xe 77 Hình 5.4 Kích hoạt server EC2 78 Hình 5.5 Cấu hình Server AWS EC2 78 Hình 5.6 Tài xế lái xe người quản lý ngồi xưởng điện – điện tử tơ 79 Hình 5.7 Tab Dashboard hình máy tính 79 Hình 5.8 Tab Charts hình máy tính 80 Hình 5.9 File liệu lưu SD card 80 Hình 5.10 Bài kiểm tra tăng tốc, phanh đột ngột 81 Hình 5.11 Dữ liệu thu từ thử nghiệm tăng tốc, phanh đột ngột 81 Hình 5.12 Bài kiểm tra lên xuống dốc 82 Hình 5.13 Dữ liệu thu từ thử nghiệm xe lên xuống dốc 82 Hình 5.14 Bài thử nghiệm quay vịng trái, phải 83 Hình 5.15 Dữ liệu thu từ thử nghiệm quay vòng trái, phải 83 Hình 5.16 Bài thử nghiệm xe đoạn đường ngẫu nhiên 84 Hình 5.17 Dữ liệu thu từ thử nghiệm xe đoạn đường ngẫu nhiên 84 xi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1 Giá trị điện áp hai dây CAN_H CAN_L Bảng 2.2 Bảng mô tả chân giắc OBD2 12 Bảng 2.3 Mô tả chế độ OBD2-PIDs 14 Bảng 2.4 Dữ liệu trả gửi mã PIDs 14 Bảng 2.5 Bảng giá trị PIDs chế độ 01 15 Bảng 2.6 So sánh module GPS/GPRS/GSM 27 Bảng 2.7 So sánh số loại cảm biến gia tốc 28 Bảng 2.8 Chức chân cảm biến MPU6050 30 Bảng 3.1 So sánh module ESP8266 ESP32 49 Bảng 3.2 Chức chân TCA9548A 54 Bảng 3.3 Các địa khác TCA 9548A 55 Bảng 4.1 Các thiết bị sử dụng mơ hình Board Gateway 64 xii MỞ ĐẦU Trong bối cảnh thời đại cách mạng công nghiệp 4.0 nay, khởi đầu chậm khoảng 30 năm so với nước khu vực, ngành công nghiệp ô tô Việt Nam có bước phát triển vượt bậc gặt hái thành tựu đáng tự hào Theo đó, tổng lực sản xuất, lắp ráp ô tô Việt Nam đến đạt khoảng 600.000 xe/năm, gồm hầu hết chủng loại xe con, xe tải xe khách; số chủng loại xe xe tải trọng tải đến có tỷ lệ nội địa hóa 55%; xe khách từ 24 chỗ ngồi trở lên tỷ lệ nội địa hóa đạt từ 45-55% đáp ứng mục tiêu đề vào năm 2020 Một số loại sản phẩm xuất sang thị trường Lào, Campuchia, Myanmar, Trung Mỹ, Với sở hạ tầng công nghệ thông tin tương đối phát triển tạo điều kiện cho doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp tơ có khả tiếp cận nhanh chóng với thành cơng nghiệp 4.0, coi chìa khóa, hội để tạo bước phát triển mang tính đột phá cho ngành công nghiệp ôtô Việt Nam Hãy tưởng tượng ngày vài năm xe ơtơ “trò chuyện” với nhau, giao tiếp với nhau, kết nối với hệ thống công cộng khác trở thành “người bạn” thân thiết với người Hiện tất nhà nghiên cứu, thiết kế, chế tạo sản xuất ô tô tập trung phát triển cơng nghệ theo ba xu hướng gắn kết với để tạo thành khối phát triển tương lai khơng xa Đó là: cơng nghệ thiết kế, chế tạo sản xuất phần cứng hợp với thời đại; công nghệ phần mềm điều khiển thơng minh sử dụng trí tuệ nhân tạo; cơng nghệ kết nối giao tiếp Công nghệ kết nối giao tiếp hệ thống kết hợp từ nhiều cơng nghệ cao GPS, máy tính viễn thông Đây công nghệ áp dụng dịng xe tơ nay, đó, liệu từ thiết bị hỗ trợ định vị GPS cài đặt xe kết hợp với mạng khơng dây, sau gửi liệu thơng tin thu thập đến máy tính trung tâm có quyền kiểm sốt theo dõi hành trình xe Cơng nghệ giúp cho người lái xe nắm bắt kịp thời tình trạng xe cảnh báo nguy hiểm, theo dõi vị trí xe, nắm bắt tình trạng giao thơng hạn chế vi phạm luật giao thông, cho biết lượng nhiên liệu tiêu thụ, gọi cứu hộ hay tìm trạm dịch vụ gần vị trí tại,… Ngày nay, tính dần trở thành tính quan trọng thiếu xe ô tô đại 4.4.3 Client gửi yêu cầu xử lý liệu trả từ Server Hình 4.21 Client gửi yêu cầu xử lý liệu trả từ Server Sau khởi tạo HTTP Client, client gửi request Server chờ đợi Server trả lời với liệu cần thiết mã lỗi Nếu Server trả lời với gói tin liệu định nghĩa trước với ý nghĩa liệu client render hình Nếu server khơng trả lời trả lời gói tin khơng định nghĩa từ trước, client không render liệu hình mà thực lại việc gửi yêu cầu đến Server 4.5 Kết kiểm tra giao tiếp hộp Gateway với ECU Toyota Yaris 2009 Sau thực đấu nối thiết bị với mơ hình ECU Toyota Yaris 2009 nhóm kết nối thành cơng với ECU đọc giá trị liệu OBD, tín hiệu GPS liệu cảm biến Dữ liệu gửi Server lưu vào sở liệu 74 Hình 4.22 Dữ liệu gửi Server lưu vào sở liệu Hình 4.23 Các gói tin CAN thu Hình 4.24 Kết thu sau phân tích gói tin CAN 75 CHƯƠNG QUY TRÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1 Thiết lập quy trình kiểm thử hoạt động hệ thống Các thiết bị cần thiết cho việc thử nghiệm hoạt động hệ thống xe gồm:  Hộp Gateway  cảm biến gia tốc  Ăng-ten GPS  Các loại dây cáp, gồm: cáp OBD2, cáp RJ45 cáp nạp code Hình 5.1 Các thiết bị hệ thống Sau chuẩn bị đầy đủ thiết bị cần thiết, ta tiến hành bố trí thiết bị lên xe Hộp thiết bị đặt vị trí ghế ngồi tài xế kết nối với xe thông qua cổng OBD2 vô lăng xe dây cáp OBD2 cảm biến gia tốc đặt vị trí góc xe cố định sàn xe băng dính cảm biến kết nối với hộp thiết bị dây cáp chuẩn RJ45 76 Hình 5.2 Hộp thiết bị cảm biến gia tốc đặt phía trước xe Hình 5.3 Hai cảm biến gia tốc đặt phía sau xe Sau bố trí hồn chỉnh thiết bị hệ thống lên xe, ta tiến hành kích hoạt server EC2 77 Hình 5.4 Kích hoạt server EC2 Hình 5.5 Cấu hình Server AWS EC2 Sau kích hoạt server EC2, ta bắt đầu q trình thử nghiệm Trong trình thử nghiệm, tài xế lái xe phạm vi khuôn viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM theo trường hợp cụ thể, với tốc độ trung bình