Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị thu thập và giám sát trên ô tô đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii DANH MỤC CÁC BẢNG x CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1.4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.4.1 Phương pháp giải vấn đề: 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu: 1.5 GIỚI THIỆU VỀ ARDUINO MEGA 2560 1.6 GIỚI THIỆU VỀ USB UART CP2102 1.7 GIỚI THIỆU VỀ OBD-II URAT 1.8 GIỚI THIỆU VỀ ARDUINO IDE 1.8.4 1.9 KHẢO SÁT ĐỂ LỰA CHỌN MODULE GPS/GPRS/GSM 1.9.1 Module GSM/GPRS/GPS A7 1.9.2 Mạch GSM GPRS GPS BDS A9G 1.9.3 Module GSM/GPS SIM908 Easy 1.9.4 Module Sim5320E EVB GSM/3G/GPS 10 1.9.5 HSPA+ Multi-band LGA Module GNSS GPS and GSM/EGPRS 11 1.9.6 Terminus GSM/GPRS Plug-in Module with GPS 12 1.9.7 Module GSM/GPRS/GPS SIM808 12 1.9.8 Module Hepta-band HSPA + GPS 13 1.9.9 Module GPS/GPRS/GSM V3.0 14 1.9.10 Module SIM868 Coreboard GSM/GPRS/GPS/Bluetooth 15 1.9.11 2G Quad-band GSM GPRS SMS 56-Channel Module GPS Tracker Development Board 16 1.9.12 So sánh module GPS/GPRS/GSM 17 1.10 GIỚI THIỆU VỀ GPS, GSM,GPRS 19 1.10.1 Tìm hiểu GPS 19 iii 1.10.2 Tìm hiểu GSM 21 1.10.3 Tìm hiểu GPRS 22 1.11 GIỚI THIỆU NODE JS 22 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 23 2.1 LỰA CHỌN MODULE GSM GPRS GPS BDS A9G 23 2.2 GIAO TIẾP UART 23 2.3 PHÂN TÍCH DỮ LIỆU GPS 25 2.4 TÌM HIỂU VỀ JACK OBD-II 30 2.4.1 Giới thiệu chung 30 2.4.2 Cấu tạo Jack OBD-II 31 2.5 TÌM HIỂU VỀ OBD-II PID 32 2.6 TÌM HIỂU VỀ WEB SERVER SỬ DỤNG NODEJS 35 2.6.1 Web server gì: 35 2.6.2 Chuỗi JSON web server: 36 2.6.3 Giao thức TCP/IP 37 CHƯƠNG LẤY DỮ LIỆU GPS VÀ THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ ĐƯA LÊN WEB 38 3.1 LẤY DỮ LIỆU GPS 38 3.1.1 Thiết lập kích hoạt module A9G 38 3.1.2 Thiết lập chế độ GPS,GPRS 40 3.1.3 Kết nối module A9G với Arduino Mega 2560 42 3.2 LẤY VÀ CHUYỂN ĐỔI THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ 43 3.2.1 Thiết lập OBD-II URAT 43 3.2.2 Lấy thông số động qua OBD-II UART 45 3.2.3 Chuyển đổi thông số động 47 3.2.4 Kết nối module OBD-II UART với Arduino Mega 2560 48 3.3 GỬI DỮ LIỆU BẰNG GIAO THỨC TCP, ĐÓNG GÓI KIỂU JSON 49 3.3.1 Thiết lập giao thức TCP 49 3.3.2 Đóng gói kiểu Json 50 3.4 GIAO DIỆN CỦA WEB 51 3.4.1 Đăng nhập vào địa 51 3.4.2 Giao diện Live Update 51 3.4.3 Giao diện Chart 52 3.4.4 Giao diện Map 54 CHƯƠNG THI CÔNG MƠ HÌNH VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 56 4.1 NHỮNG THIẾT BỊ LÀM MƠ HÌNH 56 iv 4.2 SƠ ĐỒ KẾT NỐI MƠ HÌNH 58 4.3 MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM THỰC TẾ 58 4.4 KẾT QUẢ CHẠY MƠ HÌNH 59 CHƯƠNG QUY TRÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 61 5.1 THIẾT LẬP THIẾT BỊ 61 5.2 KẾT QUẢ CHẠY THỰC NGHIỆM 62 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65 6.1 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 65 6.2 HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI 65 6.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 65 PHỤ LỤC 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU AGPS: Assisted Global Positioning System AT: Attention command CAN: Controller Are Network DTCs: Diagnostic Trouble Codes ECU: Electronic Control Unit GPS: Global Positioning System GSM: Global System for Mobile Communications GPRS: General Packet Radio Service GND: Ground HTTP: HyperText Transfer Protocol ID: Identification JSON: JavaScript Object Notation LED: Light Emitting Diode MMS: Multimedia Messaging System NMEA: National Marine Electronics Association OBD-II PIDs: On-board diagnostics Parameter IDs RPM: Revolutions Per Minute RX: Receiver SMS: Short Message Services SAE: Society of Automotive Engineers TCP/IP: Internet protocol suite IP suite TCP/IP protocol suite TX: Transmitter UART: Universal Asynchronous Receiver – Transmitter UTC: Universal Time Coordinated 3G: Third-generation technology vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Arduino Mega Hình 1.2 USB UART CP2102 Hình 1.3 Module OBD-II UART Hình 1.4 Module GPRS GSM GPS A7 Hình 1.5 Module GPRS GSM GPS A9G Hình 1.6 Module GSM/GPS SIM908 Easy Hình 1.7 Module Sim5320E EVB GSM/3G/GPS 10 Hình 1.8 Module GSM/GPRS/GPS SIM808 13 Hình 1.9 Module GPS/GPRS/GSM V3.0 14 Hình 1.10 Module SIM868 Coreboard GSM/GPRS/GPS/Bluetooth 15 Hình 1.11 Quad-band GSM GPRS SMS 56-Channel Module GPS Tracker 16 Hình 1.12 GPS 19 Hình 2.1 Cấu tạo UART 24 Hình 2.2 Cách thức kết nối giao tiếp UART 24 Hình 2.3 Phân loại Jack OBD 30 Hình 2.4 Chân jack OBD 31 Hình 2.5 Tổng quan kết nối Web Server 36 Hình 3.1 Sơ đồ chân module A9G 38 Hình 3.2 Sơ đồ kết nối với máy tính modue A9G 38 Hình 3.3 Mơ hình thực tế kết nối với máy tính modue A9G 39 Hình 3.4 Gửi lệnh AT 40 Hình 3.5 Gửi lệnh AT+GPSRD = 41 Hình 3.6 Tập lệnh thiết lập GPRS 42 Hình 3.7 Sơ đồ kết nối Arduino Mega Module A9G 42 Hình 3.8 Gửi lệnh ATZ đến board OBD-II UART 43 Hình 3.9 Gửi lệnh ATRV đến board OBD-II UART 44 Hình 3.10 Gửi lệnh ATSP0 đến board OBD-II UART 45 Hình 3.11 Gửi lệnh 0100 đến board OBD-II UART 46 Hình 3.12 Gửi lệnh 0105 đến board OBD-II UART 47 vii Hình 3.13 Bảng mã PID mode 01 48 Hình 3.14 Sơ đồ giao tiếp Arduino Mega, OBD-II UART ECU 48 Hình 3.15 Tập lệnh thiết lập giao thức TCP/IP 49 Hình 3.16 Giao diện Web 51 Hình 3.17 Giao diện Live Update 52 Hình 3.18 Biểu đồ thơng số xe 52 Hình 3.19 Giao diệp Chart 53 Hình 3.20 Biểu đồ tốc độ động theo ngày 53 Hình 3.21 Giao diện Map theo ngày 54 Hình 3.22 Biểu đồ tọa độ GPS theo ngày 54 Hình 3.23 Giao diện Map theo thời gian 55 Hình 3.24 Bản đồ tọa độ GPS theo thời gian 55 Hình 4.1 ECU Toyota Yaris 56 Hình 4.2 Đầu Jack OBD 56 Hình 4.3 Cáp kết nối OBD-II 57 Hình 4.4 Mạch giảm áp 57 Hình 4.5 Sơ đồ kết nối mơ hình 58 Hình 4.6 Mơ hình thử nghiệm 58 Hình 4.7 Mơ hình kết nối module A9G, OBD-II, Mega 2560,Giảm áp 59 Hình 4.8 Kết Web 59 Hình 4.9 Thay đổi thông số THW, THA 60 Hình 4.10 Tọa độ GPS chạy thử nghiệm 60 Hình 5.1 Mơ hình tổng quan hệ thống 61 Hình 5.2 Thiết lập module với xe 61 Hình 5.3 Khởi động web 62 Hình 5.4 Thơng số xe nổ máy 62 Hình 5.5 Thơng số xe tăng tốc 63 Hình 5.6 Tọa độ GPS chạy thực nghiệm 63 Hình 5.7 Hiện thị mã lỗi 64 Hình 5.8 Sửa mã lỗi 64 Hình 7.1 Tải thư viện Arduino Json 66 viii Hình 7.2 Thêm thư viện Arduino Json 66 Hình 7.3 Kiểm tra thư viện 67 ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: So sánh module GPS/GPRS/GSM 17 Bảng 2.1: Mô tả tổng quan thông điệp NMEA 25 Bảng 2.2: Cấu trúc thông điệp NMEA 25 Bảng 2.3: Mô tả Tên thông điệp 26 Bảng 2.4: Mô tả “GGA” Tên thông điệp 26 Bảng 2.5: Mô tả “GSA” Tên thông điệp 28 Bảng 2.6: Mô tả “GSV” Tên thông điệp 28 Bảng 2.7: Mô tả “RMC” Tên thông điệp 29 Bảng 2.8: Mô tả “VTG” Tên thông điệp 30 Bảng 2.9 Bảng mô tả chân Jack OBD 31 Bảng 2.10: Mô tả chế độ OBD-II PIDs 33 Bảng 2.11: Dữ liệu trả gửi mã PIDs 34 Bảng 2.12: Bảng giá trị PIDs chế độ 01 34 Bảng 3.1: Định dạng chuổi Json 50 x CHƯƠNG TỞNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Trong nước: Hiện nước ta thực cách mạng công nghiệp 4.0 Việc kết nối thiết bị với trở nên cần thiết để bắt kịp sóng Ơ tơ khơng ngoại lệ, có nhiều công ty FPT, Robert Bosch, Renesas, Global Cyber Soft… triển khai dự án liên quan đến việc kết nối giám sát phương tiện giao thơng Việc kết nối giúp cho nhận biết mối nguy hiểm cách tránh né chúng Bên cạnh việc giúp kiểm soát vi phạm luật an tồn giao thơng phương tiện hỗ trợ xây dựng hệ thống an toàn xe, hệ thống trợ giúp người việc di chuyển đường Ngồi nước: Hiện có nhiều dự án sử dụng vạn vật kết nối xe tự lái, hệ thống giám sát hành trình, hệ thống kết nối thiết bị nhà xe,…nhưng hầu hết dự án điều không chia sẻ mã nguồn có tính quyền 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hiện khoa học ngày phát triển, nhu cầu đời sống người ngày tăng lên Việc sử dụng phương tiện giao thông vậy, xe tơ ngồi nhu cầu phương tiện để di chuyển, cần có thêm tính khác như: an tồn cho người sử dụng, giám sát xe trạng thái xe từ xa, chống trộm…Vì nhóm em chọn đề tài giám sát trạng thái xe để đáp ứng nhu cầu thiết yếu người 1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI • Hiểu kiến thức OBD-II, PIDs, giao thức mạng truyền thông internet TCP/IP, HTTP, Socket.io,… giao thức truyền liệu UART • Tìm hiểu Arduino, module OBD-II UART, module GSM GPRS GPS BDS A9G, ngơn ngữ C, C++, JavaScript • Thiết kế hệ thống kết nối xe,Arduino, module OBD-II module GSM GPRS GPS BDS A9G • Giúp chủ xe, người sửa chữa kiểm tra lỗi xe từ xa, xác định nhanh chóng lỗi để rút ngắn thời gian sửa chữa • Lấy liệu hành xe vị trí để gửi lên web server qua mạng internet 1.4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.4.1 Phương pháp giải vấn đề: • Sử dụng nguồn tài liệu internet để tìm hiểu Arduino, OBD-II, UART, TCP/IP, HTTP, Socket.io, C, C++, JavaScript… • Ứng dụng C, C++ để viết chương trình điều khiển Arduino • Ứng dụng JavaScript để viết chương trình web server • Ứng dụng module OBD-II UART để lấy trạng thái hành xe • Ứng dụng module GSM GPRS GPS BDS A9G để lấy tạo độ xe gửi thơng tin lên web server • Tiến hành thu thập liệu trạng thái tọa độ xe để gửi thông tin lên web server • Tìm hiểu nghiên cứu GPS qua video, qua nguồn tài liệu Internet 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu: • Cấu trúc truyền nhận liệu theo chuẩn OBD-II • Viết chương trình giao tiếp module GSM GPRS GPS BDS A9G module OBD-II UART ngôn ngữ C • Cách tổ chức liệu GPS theo chuẩn NMEA • Đưa nhận xét đề xuất hướng phát triển đề tài 1.5 GIỚI THIỆU VỀ ARDUINO MEGA 2560 Arduino Mega 2560 phiên nâng cấp Arduino Mega hay gọi Arduino Mega 1280 Sự khác biệt lớn với Arduino Mega 1280 chip nhân.Ở Arduino Mega 1280 sử dụng chip ATmega1280, cịn Arduino Mega 2560 sử dụng chip ATmega2560 có nhớ flash memory 256 KB, 8KB cho nhớ SRAM, KB cho nhớ EEPROM Giúp cho người dùng thêm khả viết chương trình phức tạp điều khiển thiết bị lớn máy in 3D, điều khiển robot 3.4.4 Giao diện Map Tiêu đề có mục đích thị lại tọa độ GPS theo ngày theo thời gian ❖ Theo ngày Ta click chuột vào “Theo ngày” phía tiêu để vào giao diện Sau click chuột ta có giao diện sau Hình 3.21 Giao diện Map theo ngày Ta chọn ngày muốn xem lại đồ VD: ngày 30/06/2018 Hình 3.22 Biểu đồ tọa độ GPS theo ngày 54 ❖ Theo thời gian Ta click chuột vào “Theo thời gian” phía tiêu để vào giao diện Sau click chuột ta có giao diện sau Hình 3.23 Giao diện Map theo thời gian Ta chọn thời gian muốn xem lại đồ VD: ngày 30/06/2018 từ 10:00 AM đến 02:00 PM Hình 3.24 Bản đồ tọa độ GPS theo thời gian 55 CHƯƠNG THI CƠNG MƠ HÌNH VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 4.1 NHỮNG THIẾT BỊ LÀM MƠ HÌNH Dưới số thiết bị để làm mơ hình: • ECU Toyota Yaris Hình 4.1 ECU Toyota Yaris • Đầu Jack OBD Hình 4.2 Đầu Jack OBD 56 • Cáp kết nối OBD-II Hình 4.3 Cáp kết nối OBD-II • Mạch giảm áp DC-DC Hình 4.4 Mạch giảm áp • Mạch OBD-II URAT • Module A9G • Arduino Mega 2560 • Nguồn 12V • Một số thiết bị khác: Mica, trụ đồng, nút nhấn, biến trở, dây điện… 57 4.2 SƠ ĐỒ KẾT NỐI MƠ HÌNH Hình 4.5 Sơ đồ kết nối mơ hình 4.3 MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM THỰC TẾ Hình 4.6 Mơ hình thử nghiệm 58 Hình 4.7 Mơ hình kết nối module A9G, OBD-II, Mega 2560,Giảm áp 4.4 KẾT QUẢ CHẠY MƠ HÌNH ❖ Thơng số động Hình 4.8 Kết Web 59 Thay đổi biến trở để giả lập tín hiệu nhiệt nước làm mát nhiệt độ khơng khí nạp Hình 4.9 Thay đổi thông số THW, THA Khi ta thay đổi biến trở để giả lập tín hiệu nhiệt độ nước làm mát nhiệt độ khơng khí nạp thấy tín hiệu thay đổi Ở hình 4.7 tín hiệu có giá trị 8℃ Cịn hình 4.8 giả trị thay đổi THW: 46, THA: 63 ❖ Tọa độ GPS Hình 4.10 Tọa độ GPS chạy thử nghiệm 60 CHƯƠNG QUY TRÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1 THIẾT LẬP THIẾT BỊ ❖ Mơ hình tổng quan hệ thống Hình 5.1 Mơ hình tổng quan hệ thống ❖ Thiết lập mơ hình Cắm đầu cáp OBD-II vào jack chuẩn đốn xe, đầu cịn lại cấm mơ hình Hình 5.2 Thiết lập module với xe 61 Khởi động giao diện web Hình 5.3 Khởi động web 5.2 KẾT QUẢ CHẠY THỰC NGHIỆM ❖ Thông số động Khi chìa khóa xe chế độ IG máy chạy tốc độ cầm chừng Hình 5.4 Thơng số xe nổ máy Lúc này, xe khỏi động chạy chết độ cầm chừng nên tốc độ động có Khoảng 733 vịng/phút 62 Đập bàn đạp ga để thay đổi vị trí bướm ga tốc độ động Hình 5.5 Thơng số xe tăng tốc Khi ta đập bàn đạp ga để thay đổi vị trí bướm ga tốc độ động thấy tín hiệu thay đổi Ở hình 5.3 tín hiệu có giá trị VTA: 16, RPM: 733 Cịn hình 5.4 giả trị thay đổi VTA: 20, RPM: 2439 ❖ Tọa độ GPS Hình 5.6 Tọa độ GPS chạy thực nghiệm 63 ❖ Đọc mã lỗi Đầu tiên ta tạo lỗi cho xe cách rút cảm biến đo lưu lượng khơng khí nạp Sau vào khởi động động Sẻ thấy đèn Check Engine sáng Hình 5.7 Hiện thị mã lỗi Sau đọc mã lỗi ta bắt đầu sửa lỗi cách gắn cảm biến lưu lượng khơng khí nạp vào Sau rút cọc âm bình ắc quy, chờ khoảng 5-10s gắn cọc âm lại vào bình ắc quy Vào xe khởi động lại máy Sẻ thấy đèn Check Engine tắt Hình 5.8 Sửa mã lỗi Lúc thông số nhiệt độ khơng khí nạp, lưu lượng khơng khí nạp lỗi biến 64 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC • Nắm số hàm lập trình với Arduino Javascript • Nắm lý thuyết chuẩn giao tiếp UART • Nắm sở lý thuyết xây dựng web server • Nắm lý thuyết module GPS cách xác định vị trí • Nắm lý thuyết OBD-II vai trị OBD nghành cơng nghệ tơ • Hồn thành mơ hình để lấy truyền liệu từ từ xe lên web server thơng qua kết nối GPRS • Kết nối module GPRS OBD-II UART để truyền nhận liệu lên web server 6.2 HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI • Chưa hồn thành hộp đựng gắn lên xe • Lập trình điều khiển nhận lấy tín hiệu chưa tối ưu • Việc lấy liệu GPS đơi lúc cịn sai số nhiều nhà • Chưa xử lý trường hợp lỗi khơng xác định • Chưa tối ưu xe tắt máy module chạy làm tổn hao pin 6.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI • Đưa hình ảnh từ xe web server • Đưa module chế độ ngủ xe khơng hoạt động • Hỗ trợ update phiên vào module từ xa • Phát triển khả lấy liệu từ nhiều xe thông qua web server 65 PHỤ LỤC ❖ Hướng dẫn thêm thư viện Json vào Arduino Bước 1: Vào trang https://github.com/bblanchon/ArduinoJson để tải thư viện Arduino Json Hình 7.1 Tải thư viện Arduino Json Bước 2: Sau tải thư viện Arduino Json về, khởi động phần mền Arduino IDE vào Sketch/Include Library/Add ZIP Library chọn file ArduinoJson-master.Zip Hình 7.2 Thêm thư viện Arduino Json 66 Bước 3: Vào lại Sketch/Include Library/Add ZIP Library xem thư viện có thêm vào chưa Nếu thấy xuất thêm vào thành cơng Hình 7.3 Kiểm tra thư viện 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://learn.sparkfun.com/tutorials/obd-ii-uart-hookup-guide [2] https://vi.wikipedia.org/wiki/H%E1%BB%87_th%E1%BB%91ng_%C4%90%E1%BB% 8Bnh_v%E1%BB%8B_To%C3%A0n_c%E1%BA%A7u [3] https://vi.wikipedia.org/wiki/H%E1%BB%87_th%E1%BB%91ng_th%C3%B4ng_tin_di _%C4%91%E1%BB%99ng_to%C3%A0n_c%E1%BA%A7u [4] https://www.thegioididong.com/tin-tuc/hieu-ro-hon-ve-gprs-canh-cong-internet-cho-didon-590218 [5] https://www.w3schools.com/nodejs/default.asp [6] http://aprs.gids.nl/nmea/ [7] https://en.wikipedia.org/wiki/OBD-II_PIDs [8] https://longvan.net/web-server.html [9] https://randomnerdtutorials.com/decoding-and-encoding-json-with-arduino-or-esp8266 [10] https://vi.wikipedia.org/wiki/TCP/IP 68 ... Thơng thường, kỹ thu? ??t viên ô tô sử dụng PID với thiết bị chuẩn đoán kết nối với đầu nối OBD-II xe • Kỹ thu? ??t viên nhập mã PID • Thiết bị chuẩn đoán gửi đến mạng điều khiển xe (CAN) -bus, VPW, PWM,... cơng nghệ A- 10 GPS, giúp cho việc định vị xác Ứng dụng hệ thống điều khiển, giám sát, thu thập liệu từ xa trạm quan trắc môi trường, thiết bị an ninh báo động, thiết bị an ninh… ❖ Đặc điểm kỹ thu? ??t:... • Thiết bị xe nhận dạng PID chịu trách nhiệm phản hồi lại giá trị PID tới xe 32 • Thiết bị chuẩn đốn đọc phản hồi hiển thị cho kỹ thu? ??t viên ❖ Các chế độ OBD-II PIDs Có 10 chế độ hoạt động mô