(TIỂU LUẬN) hệ thống theo dõi nồng độ cồn và xác định vị trí của người điều khiển ô tô

Chương 1: Tổng quan hệ thống 1.1 Đặt vấn đề: Các ứng dụng IoT ngày thúc đẩy phát triển tảng số, tạo hệ thống hỗ trợ sống, cung cấp dịch vụ hỗ trợ nhiều hoạt động hàng ngày, hoạt động tăng cường an toàn an ninh, hệ thống giám sát sức khỏe, y tế Sử dụng rượu bia thói quen văn hóa truyền thống nhiều quốc gia, có Việt Nam Ở Việt Nam, xu hướng sử dụng rượu bia loại đồ uống có cồn khác sinh hoạt ngày, dịp lễ, hội, quan hệ công việc… ngày gia tăng Thậm chí, Việt nam trở thành quốc gia có mức tiêu thụ rượu bia vô cao, đứng thứ Đơng Nam Á, sau Thái Lan Ngồi việc nguyên nhân nhiều mã bệnh, sử dụng rượu, bia tham gia giao thông ngun nhân vụ tai nạn giao thơng nghiêm trọng nước ta Do đó, thực đề tài “Hệ thống theo dõi nồng độ cồn xác định vị trí người điều khiển ô tô” nhằm mang lại chức cần thiết để đảm báo tính mạng sức khỏe giúp người sử dụng rượu, bia nhận thức sức khỏe thân trước tham gia giao thông 1.2 Mục tiêu “Hệ thống theo dõi nồng độ cồn xác định vị trí người điều khiển ô tô” thiết bị giúp người dùng kiểm tra, ngăn không cho người sử dụng ô tô tham gia giao thông nồng độ cồn thở vượt nồng độ cho phép, cảnh báo cho người thân biết thơng số vị trí, nồng độ cồn thơng qua giao diện Web để có giải pháp kịp thời, phòng tránh cố hiệu Đề tài sử dụng Board 32F411EDISCOVERY làm xử lý trung tâm, cảm biến nồng độ cồn MQ3, cảm biến GPS Neo 6M đo thông số cần thiết để truyền tín hiệu trung tâm xử lý, kết hợp với module ESP8266 để nhận tín hiệu từ trung tâm đưa thông số lên Web để người thân quan sát kịp thời có giải pháp phù hợp 1.3 Nội dung nghiên cứu Ở đề tài “Hệ thống theo dõi nồng độ cồn xác định vị trí người điều khiển ô tô” thực nghiên cứu nội dung sau: Nội dung 1: Phân tích, lựa chọn giải pháp cho đề tài Nội dung 2: Thiết kế sơ đồ khối, lựa chọn linh kiện phù hợp cho đề tài Nội dung 3: Thiết kế hệ thống điều khiển, giao diện Web Nội dung 4: Nội dung đạt đánh giá 1.4 Bố cục đề tài Trong báo cáo, nhóm nghiên cứu cố gắng trình bày cách thật logic để người đọc hiểu rõ kiến thức, phương thức cách thức hoạt động đề tài Bố cục báo cáo nhóm chia làm chương sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, bố cục đề tài Chương 2: Thiết kế hệ thống Chương nói sơ đồ khối, thuật tốn hệ thống lý thuyết liên quan đến đề tài bao gốm kiến thức linh kiện, thiết bị sử dụng hệ thống mạch điều khiển, thiết bị ngoại vi, cảm biến đọc liệu từ cảm biến Chương 3: Giao diện Web, thực nghiệm đánh giá Chương trình bày kết thực nghiệm đồng thời đưa nhận xét, đánh giá hướng phát triển đề tài Chương 2: Thiết kế hệ thống 2.1 Sơ đồ khối hệ thống: Từ yêu cầu đề tài, thiết kế sơ đồ hoàn chỉnh cho hệ thống, trình bày hình sau: Hình: Sơ đồ khối hệ thống Giải thích khối: - Khối xử lý trung tâm: Gồm board 32F411EDISCOVERY, có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ khối đo nồng độ cồn, khối xác định vị trí khối theo dõi, xử lý gửi tín hiệu điều khiển sang khối động liệu đến khối theo dõi - Khối đo nồng độ cồn: Gồm module MQ3, có nhiệm vụ đo nồng độ cồn thở gửi tín hiệu trung tâm xử lý - Khối xác định vị trí: Gồm module GPS Neo 6M, thực công việc xác định tọa độ (vĩ độ kinh độ) thời gian, gửi tín hiệu trung tâm xử lý - Khối theo dõi: Gồm board ESP8266 Node MCU V1.0, có nhiệm vụ đưa liệu nồng độ cồn, thời gian, tọa độ lên giao diện Web để quan sát gửi yêu cầu điều khiển động từ giao diện Web khối xử lý trung tâm - Khối động cơ: Gồm động , mô động ô tô - Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện cho hệ thông hoạt động, gồm nguồn chỉnh lưu 220VAC thành nguồn 12VDC-5A module điều khiển động L298n 2.2 Cơ sở lý thuyết 2.2.1 Bộ xử lý trung tâm: 2.2.1.1 Board 32F411DISCOVERY Board 32F411EDISCOVERY sản phẩm công ty STMicroelectronics, thiết kế dựa vi điều khiển STM32F411VET6 Ngoài vi điều khiển STM32F411VET6, board cịn tích hợp cơng cụ gỡ lỗi nhúng ST-Link V2, quay hồi chuyển, la bàn điện tử, micro kĩ thuật số, đầu nối OTG Micro-AB, đèn Led, nút nhấn, Có thể thấy, Board 32F411E DISCOVERY giúp người dùng sử dụng lập trình tốn cách đơn giản nhanh chóng Hình: Board STM32F411E-DISCO Các thơng số cụ thể board: - Lõi vi điều khiển: STM32F411VET6 - USB OTG FS - quay hồi chuyển kỹ thuật số trục - gia tốc kế tuyến tính kỹ thuật số 3D cảm biến từ tính - micro kĩ thuật số - audio DAC tích hợp trình điều khiển loa class-D - đèn LED: +LD1 (đỏ/xanh lá): đèn báo giao tiếp USB + LD2 (đỏ): Đèn báo nguồn 3.3V + LD3 (cam), LD4 (xanh lá), LD5 (đỏ), LD6 (xanh dương): đèn dành cho người sử dụng + LD7 (xanh lá) LD8 (đỏ): hai đèn báo USB OTG ( LD7: báo giao tiếp, LD8: báo dòng) - nút nhấn: nút nhấn Reset nút nhấn dành cho người dùng (User Button) - Cổng kết nối: + cổng USB OTG FS Micro-AB + cổng ST-LINK Mini-B USB + 100 chân vào tần số cao - Nguồn cấp: + Cấp nguồn qua cổng ST-LINK USB + Cấp nguồn 5VDC bên ngồi Hình: Các ngoại vi board STM32F411E-DISCO 2.2.1.2 Vi điều khiển STM32F411VET6 Vi điều khiển STM32F411VET6 phát triển dựa lõi vi xử lý RISC 32bit ARM Cortex-M4 32-bit, vi xử lý hiệu suất cao có tần số hoạt động tối đa lên đến 100MHz sử dụng rộng rãi thiết kế nhúng Do có đặc điểm tiết kiệm lượng, CPU ARM chiếm ưu lớn sản phẩm điện tử di động, sản phẩm mà việc tiêu tán công suất thấp mục tiêu quan trọng Hiện nay, 75% CPU nhúng 32-bit thuộc họ ARM, điều khiến ARM trở thành cấu trúc 32-bit sản xuất nhiều giới Hình: Vi điều khiển STM32F411VET6 Thơng số vi điều khiển STM32F411VET6: - Tiêu chuẩn đóng gói: LQFP100 - Nguồn cấp: 1.7-3.6 VDC - Nhiệt độ hoạt động: - 40˚C đến 125 ˚C - Bộ nhớ Flash: 512 Kbytes - Bộ nhớ RAM: 128 Kbytes - Tần số hoạt động tối đa: 100 MHz - Nguồn cấp cho chân I/Os: 1.7 – 3.6 VDC - Nguồn dao động: + Bộ dao động tinh thể ( Thạch anh ) – 26 MHz + Bộ dao động RC nội 16MHz + Bộ dao động RTC (Real Time Clock) 32kHz - ADC 12-bit, 2.4 MSPS 16 kênh - Bộ DMA đa 16 luồng - Timer: 11 timer + Timer 16-bit, Timer 32-bit với tần số tối đa 100MHz, có chức IC/OC/PWM/Encoder Mode/… + Watchdog Timer (độc lập giám sát) + SysTick Timer - Chân I/Os: + 81 chân vào với port I/Os (A,B,C,D,E) + 75 chân vào tần số cao, lên đến 100MHz - Truyền thông: + cổng giao tiếp I2C (SMBus PMBus) + giổng giao tiếp UART ( cổng có tốc độ 12.5Mbit/s cổng có tốc độ 6.25Mbit/s) theo tiêu chuẩn ISO 7816 + cổng giao tiếp SPI/I2S tốc độ cao (tốc độ lên đến 50Mbit/s) + giao diện SDIO + Kết nối nâng cao: Chuẩn USB 2.0 tốc độ cao - Debug mode: + Serial wire debug (SWD) với giao diện JTAG + Cortex®-M4 Embedded Trace Macrocell - Ngắt (Interrupt): + Nhiều chức ngắt: ngắt ngoài, ngắt Timer, ngắt UART, ngắt I2C, ngắt ADC,… + 68 vector ngắt + 16 mức ưu tiên ngắt + Đỗ trễ thấp, xử lý nhanh, có tích hợp DMA ngắt + Có ghi điều khiển ngắt quản lý lượng cho vector ngắt 2.2.2 Cảm biến nồng độ cồn 2.2.2.1 Họ cảm biến MQ: Cảm biến họ MQ loại cảm biến Metal Oxide Semiconductor (MOS), gọi Chemiresistors, dựa “sự thay đổi điện trở” vật liệu cảm biến tiếp xúc với loại khí định MQ họ loại cảm biến “heater-driven”, tức phải tự làm nóng để hoạt động Do sử dụng, cần có thời gian trễ để cảm biến làm nóng ( khoảng 1ph với Vcc=5 VDC lớn Vcc=5VDC) - Các chân enA, IN1, IN2 điều khiển điện áp cổng OUT1, OUT2 Các chân enB, IN3, IN4 điều khiển điện áp cổng OUT3, OUT4 Hình: Sơ đồ chân module L298n Cách ghép nối điều khiển tốc độ động với module L298n: - Nếu muốn điều khiển động cổng OUT1 OUT2, ta sử dụng chân enA, IN1 IN2 Ngược lại, muốn điều khiển cổng OUT3 OUT4 ta sử dụng chân enB, IN3 IN4 Hình: Cách ghép nối module L298n với động DC - Có cách để điều chỉnh điện áp mạch (từ điều khiển tốc độ động cơ) gồm: điều khiển chân enA điều khiển chân IN1, IN2 - Điều khiển chân enA: + Hai chân 1,2 chân digital output, chân chân analog output (hoặc PWM) mạch điều khiển + Hiệu điện chân OUT1 OUT2 (0 – Vcc) tỉ lệ thuận với điện chân enA ( – VDC) + Chiều dương âm chân OUT1 OUT2 phụ thuộc vào mức chênh lệch điện áp chân IN1 IN2 Nếu U IN1 > UIN2 UOUT1 > UOUT2 ngược lại - Điều khiển chân IN1 IN2: + Hai chân 1,2 chân analog output (hoặc PWM), chân chân digital output mạch điều khiển + Hiệu điện chân OUT1 OUT2 (0 – Vcc) tỉ lệ thuận với hiệu điện chân IN1 IN2 ( – VDC) Nếu U IN1 > UIN2 điện hai cổng UOUT1 > UOUT2 ngược lại + Muốn điều khiển chân IN1 IN2 chân enA phải có mức logic (3.5 ~ VDC) Ngược lại, chân enA có mức logic ( ~ 1.5 VDC) hiệu điện hai cổng OUT1 OUT2 Ura = VDC 2.2.7 Nguồn 2.2.7.1 Khái niệm nguồn điện: Nguôn điên la khai niêm đươc dung đê chi vât, thiêt bi co kha cung câp điên cho cac thiêt bi, may moc sư dung điên đơi sông sinh hoat cung hoat đông san xuât nông nghiêp, công nghiêp, nghiên cưu khoa hoc cua Dựa vào đặc điểm điện áp đầu nguồn, nguồn chia làm loại: - Nguồn điện chiều (DC- Direct Current): Là nguồn mà dòng điện đầu chạy theo chiều Loại nguồn có cực Dương Âm phân biệt cụ thể VD: pin, ắc-quy,… - Nguồn điện xoay chiều (AC- Alternating Current): Là nguồn mà dịng điện đầu có chiều giá trị thay đổi theo thời gian thường có chu kì định VD: điện từ máy phát điện, ổ cắm điện,… Hình: Một số loại nguồn Do thiết bị hệ thống toán sử dụng nguồn điện chiều, nên ta chọn nguồn sử dụng toán nguồn chiều 2.2.7.2 Nguồn DC: Hiện nay, đại đa số thiết bị điện, điện tử mà sử dụng sống ngày thiết bị sử dụng nguồn xoay chiều (AC), thường mức điện áp 220V 110V Nhưng thực tế, linh kiện điện tử thiết bị sử dụng nguồn điện xoay chiều, sử dụng hiệu điện thấp (0-5 VDC) Do đó, thiết bị có chứa mạch để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều, gọi chỉnh lưu Tùy thuộc vào yêu cầu mong muốn dòng điện chiều mà có nhiều chỉnh lưu khác nhau: chỉnh lưu cầu pha, chỉnh lưu pha nửa chu kỳ, Các chỉnh lưu thường kết hợp với máy biến áp mini, ổn áp, lọc để tạo thành mạch chỉnh lưu hồn chỉnh Hình: Một mạch chỉnh lưu 5V thực tế Các loại nguồn DC nay: - Pin - Acquy - Adapter - Nguồn tổ ong - Nguồn DC điều chỉnh điện áp Ở đề tài này, ta sử dụng nguồn Adapter 12V – 5A để thực toán 2.3 Lưu đồ thuật toán hệ thống 2.3.1 Phân chia tài nguyên xử lý trung tâm Board STM32F411VEDISCO có lượng ngoại vi lớn, nên ta khơng khó khăn việc phân chia ngoại vi cho board Cụ thể, ngoại vi board sử dụng gồm: - Cổng UART2 (hai chân PA2 PA3) sử dụng để đọc liệu từ module GPS Neo-6M - Cổng UART6 (hai chân PC6 PC7) sử dụng để giao tiếp với module ESP8266 NodeMCU - Cổng SPI1 (hai chân PB6 PB7) sử dụng để kết nối với LCD 20*4 - ADC1 (chân PC0) kênh 10 sử dụng đọc giá trị analog module đo nồng độ cồn MQ3 gửi - GPIO (hai chân PC10 PC11) sử dụng để điều khiển bật/tắt động - Timer sử dụng để tạo định thời tách liệu từ chuỗi GPGGA gửi liệu quan sát sang module ESP8266 2.3.2 Lưu đồ thuật toán hệ thống: 2.3.2.1 Lưu đồ thuật toán xử lý trung tâm: Để hệ thống đáp ứng nhanh tác vụ, ta sử dụng ngắt xử lý trung tâm để xử lý liệu Các ngắt sử dụng bao gồm: ngắt uart (2 6), ngắt ADC1, ngắt Timer Hình: Lưu đồ thuật tốn chương trình Hình: Lưu đồ thuật tốn chương trình phục vụ ngắt ADC1 Hình: Lưu đồ thuật tốn chương trình phục vụ ngắt UART Hình: Lưu đồ thuật tốn trình phục vụ ngắt UART Hình: Lưu đồ thuật tốn trình phục vụ ngắt UART Hình: Lưu đồ thuật tốn trình phục vụ ngắt Timer 2.3.2.2 Lưu đồ thuật tốn ESP8266 Hình: Lưu đồ thuật tốn ESP8266 Hình: Lưu đồ thuật tốn xử lý request từ Web Chương 3: Giao diện Web, thực nghiệm đánh giá 3.1 Giao diện Web Giao diện Web để theo dõi thông tin điều khiển động thiết kế hình sau: Hình: Giao diện Web theo dõi liệu điều khiển động Cách thức hoạt động Web: - Tọa độ vị trí xe (vĩ độ, kinh độ) nồng độ xe tự động cập nhật 1s hiển thị liệu bảng - Nút gạt “Cho phép chạy” bật gửi tín hiệu để bật động cơ, tắt gửi tín hiệu tắt động - Thông báo “Trạng thái” hiển thị trạng thái việc gửi tín hiệu bật/tắt động 3.2 Thực nghiệm: ... khối đo nồng độ cồn, khối xác định vị trí khối theo dõi, xử lý gửi tín hiệu điều khiển sang khối động liệu đến khối theo dõi - Khối đo nồng độ cồn: Gồm module MQ3, có nhiệm vụ đo nồng độ cồn thở... Web để theo dõi thông tin điều khiển động thiết kế hình sau: Hình: Giao diện Web theo dõi liệu điều khiển động Cách thức hoạt động Web: - Tọa độ vị trí xe (vĩ độ, kinh độ) nồng độ xe tự động cập...1.3 Nội dung nghiên cứu Ở đề tài ? ?Hệ thống theo dõi nồng độ cồn xác định vị trí người điều khiển ô tô? ?? thực nghiên cứu nội dung sau: Nội dung 1: Phân tích, lựa chọn