(Đồ án hcmute) hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG HỆ THỐNG ÐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THƠNG GVHD: Th.S NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH : LÊ KHẮC LUỢNG MSSV: 11141339 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2015 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀ O TẠO CHẤT LƯỢNG CAO TRANG PHỤ BÌA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THƠNG GIA HUY 02 quyen ; 70 trang GVHD: SVTH : MSSV : Khố : ThS NGUYỄN ĐÌNH PHÚ LÊ KHẮC LƯỢNG 11141339 2011-2015 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2015 i an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh , ngày tháng 07 năm 2015 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ Tên Sinh Viên: MSSV: LÊ KHẮC LƯỢNG 11141339 Ngành: CNKT Điện Tử Truyền Thông Lớp: 11141CL2 GVHD: Ths.NGUYỄN ĐÌNH PHÚ Ngày nộp đề tài: Ngày nhận đề tài: 1.Tên đề tài: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THÔNG 2.Các số liệu, tài liệu ban đầu: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 3.Nội dung thực đề tài: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… 4.Sản phẩm: ………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Tp Hồ Chí Minh , ngày tháng 07 năm 215 TRƯỞNG NGÀNH GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh , ngày tháng 07 năm 2015 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên: LÊ KHẮC LƯỢNG MSSV: 11141339 Ngành: CNKT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG Tên đề tài: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THƠNG Họ Tên GVHD: Ths.NGUYỄN ĐÌNH PHÚ NHẬN XÉT 1.Nội dung đề tài khối lượng thực hiện: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 2.Ưu điểm: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 3.Khuyết điểm: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 4.Đề nghị cho bảo vệ hay không: ……………………………………………………………………………………… 5.Đánh giá loại: ……………………………………………………………………………………… 6.Điểm: ……………………………………………………………………………………… Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2015 Giáo viên hướng dẫn ii an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh , ngày tháng 07 năm 2015 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên: LÊ KHẮC LƯỢNG MSSV: 11141339 Ngành: CNKT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THƠNG Tên đề tài: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THÔNG Họ Tên GVHD: ………………………………………… NHẬN XÉT 1.Nội dung đề tài khối lượng thực hiện: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 2.Ưu điểm: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 3.Khuyết điểm: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 4.Đề nghị cho bảo vệ hay không: ……………………………………………………………………………………… 5.Đánh giá loại: ……………………………………………………………………………………… 6.Điểm: ……………………………………………………………………………………… Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2015 Giáo viên phản biện iii an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú LỜI CẢM ƠN Lời nhóm xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Đình Phú, người trực tiếp dạy tận tình hướng dẫn, ln quan tâm nhắc nhở sinh viên suốt trình thực đề tài, khơng có hỗ trợ, bảo, nhắc thầy có lẽ sinh viên khơng thể hoàn thành đề tài kịp thời hạn Sinh viên xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh, đặc biệt thầy cô khoa Điện - Điện tử, tận tình dạy tạo điều kiện hỗ trợ cần thiết suốt trình sinh viên học tập trường Với vốn kiến thức tiếp thu q trình học khơng tảng cho trình nghiên cứu đề tài mà cịn hành trang q báu để nhóm bước vào đời cách vững tự tin Cuối tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè – người thân yêu chỗ dựa vững chắc, xin kính chúc q Thầy, Cơ gia đình dồi sức khỏe thành công nghiệp cao quý Sinh viên thực hiện: Lê Khắc Lượng iv an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú TĨM TẮT Mục đích đề tài thiết kế thực hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông thông qua mạng GPRS Bao gồm module phần cứng tích hợp chức GSM/GPRS, để thu nhận thông tin server truyền client để điều khiển tín hiệu giao thơng… Từ đó, cách truy cập vào trang web, thông qua giao diện đồ họa, người dùng điều khiển trực tiếp biển báo giao thông v an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú ABSTRACT The goal of this thesis is designing and implementing controller device by using GPRS network, includes hardware modules integrated GSM/GPRS functions for receiving locator information from server and transferring data to client such as speed… Therefore, by accessing webpage via graphical interface, user can control traffic light… vi an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v ABSTRACT vi MỤC LỤC vii DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA .x DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU xii CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1.1 Tổng quan 1.1.2 Tình hình NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI .2 1.2.1 Mục tiêu đề tài Luận văn .2 1.2.2 Phạm vi công việc 1.2.3 Giới hạn đề tài 1.2.4 Nhiệm vụ luận văn BỐ CỤC CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUẨN GPRS 2.1.1 Giới thiệu tổng quát .4 vii an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú 2.1.2 Mơ hình hệ thống thu thập liệu qua mạng GPRS LÝ THUYẾT VỀ GIAO THỨC TCP/IP .7 2.2.1 Giới thiệu tổng quát 2.2.2 Tập hợp lớp TCP/IP MODEM SIM900 14 2.3.1 Đặc tính kỹ thuật .14 2.3.2 Giới thiệu tập lệnh AT sử dụng giao tiếp module SIM900 15 Ngôn ngữ SQL 22 2.4.1 Tổng quan 23 2.4.2 Vai trò SQL 24 Ngôn ngữ PHP 25 2.5.1 Khái niệm 25 2.5.2 Ứng dụng PHP 25 2.5.3 Hoạt động PHP: 26 VI ĐIỀU KHIỂN ARM CORTEX M0 .27 2.6.1 Giới thiệu chung: .27 2.6.2 Các tính chính: 27 2.6.3 Cấu trúc phần cứng: 28 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 31 Mơ hình hệ thống .31 3.1.1 Mô hình tổng quan 31 3.1.2 Sơ đồ khối 32 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 33 3.2.1 Khối GSM/GPRS .33 viii an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú “URL” phần "khacluong.zz.mu/ getstate.php?ID=1"" Lệnh “AT+HTTPACTION” nhằm yêu cầu SIM900 thực request vừa thiết lập Sau thực lệnh Yêu cầu gửi đến server thông qua kết nối GPRS e) Đọc phản hồi phân tích liệu nhận Sau gửi yêu cầu lên server, thông tin mà server trả SIM900 tự động nhận lưu vào nhớ Để truy xuất thơng tin ta cần gửi lệnh u cầu SIM900 Đồng thời trương trình vi điều khiển phải có cấu nhận lưu trữ luồng liệu Để q trình nhận đầy đủ xác vi điều khiển kích hoạt tính ngắt nhận UART Dữ liệu nhận dạng chuỗi kí tự cịn chứa nhiều phần khơng cần thiết Nên cần phải có bước xuất trích chuyển đổi dạng liệu Lưu đồ sau miêu tả trình này: Bắt đầu Gửi lệnh AT+HTTPREAD Bật biến trạng thái nhận liệu Delay 1s Tắt biến trạng thái nhận liệu Xử lý mảng kí tự nhận Kết Thúc 46 an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú Hình 3.13 Hàm read_request Bắt đầu S Cờ nhận liệu từ Server == Đ Lưu liệu UART vào mảng HTTP_Data Kết Thúc Hình 3.14 Hàm xử lý ngắt UART f) Kĩ thuật quét led Có nhiều phương pháp để điều khiển ma trận led Như điều khiển trực tiếp, sử dụng phương pháp quét led Nhưng từ bước thiết kế phần cứng, phương pháp chọn quét led Lợi dụng đặc điểm lưu ảnh mắt người, cụ thể tượng lưu ảnh diễn mắt người thời gian 0,04s trước thay hình ảnh khác Trong khoảng thời gian 0.04s ma trận led hiển thị hàng mắt người gộp chung lại thành Tạo cảm giác tất hàng sáng Do ta thiết kế để hàng ma trận led sáng khoảng thời gian 5ms Để đạt yêu cầu chương trình sử dụng tới hàm ngắt System tick để lên lịch hiển thị thị hàng 47 an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú Dựa theo thiết kế phần cứng việc điều khiển ma trận sáng hàng điểm sáng tắt hàng thông qua IC dịch 74HC595 Điều khiển IC dịch 74HC595 thông qua chân kết nối GPIO sau: - PA5 kết nối với chân latch 74HC595 - PA6 kết nối với chân clock 74HC595 - PA7 kết nối với chân data 74HC595 Lưu đồ giải thuật truyền 1byte qua IC 74HC595 Bắt đầu Xuất mức chân Latch Dịch bit liệu chân Data Tạo xung xuông chân Clock Xuất mức chân Latch Kết Thúc Hình 3.15 Lưu đồ hàm 595_write() Để sáng hàng led ta truyền chuỗi 4byte gồm: 48 an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú Hàm matrix_show() đảm nhận trình Dữ liệu điều khiển led lưu mảng chiều có kích thước 4x8 Cột mảng chiều lưu trữ giá trị điều khiển hàng led sáng Dữ liệu cột lại giá trị điều khiển led Khi thay đổi thông tin hiển thị ma trận led, cần thay đổi liệu cột sau Như trình bày trên, hàm ngắt Systick tick sử dụng để lên lịch hiển thị hàng ma trận led Do cấu hình ngắt Systick tick 1ms nên cần them biến đếm tạm để tạo nên khung thời gian 5ms mong muốn Đúng 5ms, hàm ngắt Systick tick gọi hàm matrix_show() để hiển thị hàng ma trận led Cụ thể lưu đồ sau: 49 an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú Bắt đầu i++ i == S Đ i=0 matrix_show(row) row=++row%8 Kết Thúc Hình 3.16 Lưu đồ giải thuật hàm ngắt Systick tick Web server Đồ án đề xuất dùng host miễn phí mạng để tiết kiệm chi phí vận hành, tăng khả điều khiển từ địa điểm, tăng tính ổn định - Phần mềm: sử dụng ngôn ngữ lập trình PHP kết hợp với QSL 50 an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú Sơ đồ khối tổng quát Server: Hình 3.17 Sơ đồ khối Server tổng quát Nhiệm vụ khối: - Home Index: trang giao diện dùng để người dùng giám sát điều khiển client - GetState: giao thức truyền nhận client sở liệu - Save: giao thức nhằm đưa thông tin điều khiển người dùng vào sở liệu Quy trình hoạt động tổng quát: - Khi nhập vào website, người dùng chọn lựa client, giá trị điều khiển tương ứng Sau nhấn lệnh đồng ý Lệnh điều khiển đưa vào trang Save.php để tiến hành lưu vào sở liệu - Các client muốn cập nhật lệnh điều khiển gửi lệnh request đến trang GetState với ID kèm theo ứng với client Dựa vào ID GetState truy nhập vào sở liệu xuất trích xác thơng tin điều khiển cho client 3.5.1 Luồng xử lý quản lý luồng liệu người dùng: 51 an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú Thông qua giao thức GET HTTP, biến điều khiển chuyển từ trang index.html sang save.php Tại đây, save.php mở kết nối với CSDL Biến giá trị phân tích lưu vào CSDL Giải thuật để thực q trình lưu thơng tin biểu diễn qua lưu đồ phía Hình 3.18 Lưu đồ Save.php 3.5.2 Luồng xử lý quản lý luồng liệu client: 52 an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú Hình 3.19 Lưu đồ GetState.php Client quản lý luồng liệu với Server thông qua giao thức Get HTTP - Phía client liên tục request với nội dung bao gồm ID client 53 an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú - GetState nhận ID - Mở kết nối tới CSDL - Truy suất đến CSDL lấy giá trị mã lệnh điều khiển - Xuất kết ngồi giao diện HTTP - Đóng kết nối tới CSDL Kết thúc q trình Thi cơng đánh giá Sau q trình thi cơng, kết thu là:  Client: Mạch thi cơng hồn chỉnh hồn thiện đáp ứng yêu cầu đặt Hình 3.20 Mặt client SIM900 54 an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú Hình 3.21 Mặt client SIM900 Hình 3.22 Mạch ma trận led Bước đầu chạy thử, mạch thực chức giao tiếp với module SIM900 điều khiển ma trận led 55 an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú  Server: o Đăng kí sử dụng host miễn phí mạng internet để đặt server Địa tên miền server là: khacluong.zz.mu o Server chạy thơng suốt, quản lý nhiều client truy cập vào o Về bản: server nhận yêu cầu client trả xác Hình 3.23 Giao diện trang index Hình 3.24 Giao diện trang save.php 56 an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN Luận văn xây dựng tảng hệ thống điều khiển tín hiệu giao thơng Hai thành phần ma trận led SIM900 hoạt động tốt Khảo sát thực nghiệm cho thấy: - Trong 50 lần kiểm tra đọc thơng tin từ server xác tất 50 lần, đạt tỉ lệ 100% - Khi cho hệ thống chạy liên tục khoảng thời gian nhiều ngày Module SIM900 bị reset với tần suất 10h/lần reset Nguyên nhân do: Thiết kế phần cứng chưa thật tốt chưa loại bỏ nhiễu điệp áp - Ma trận led làm việc tốt, đảm bảo yêu cầu đặt ban đầu Các led sáng ổn định Khơng có tượng chớt Các ưu điểm so với hệ thống hệ cũ là: - Tối ưu so với thiết kế trước sử dụng kỹ thuật điều khiển SMS, nên việc quản lý nhỏ lẻ phân tán, khó ứng dụng cho hệ thống lớn Hệ thống sử dụng công nghệ GPRS nhằm tiết giảm tối đa chi phí sử dụng Với lệnh điều khiển hệ thống dùng SMS chi phí dao động từ 100-200 đồng Còn với hệ thống tại, qua khảo sát trình sử dụng, lệnh điều khiển tiêu tốn 1kb liệu, tương ứng với chi phí khoảng 1đ Và hệ thống có mơ hình quản lý tập trung, dễ dàng giám sát điều khiển - So với việc tự xây dựng hệ thống server cá nhân dẫn đến tốn chi phí đầu tư ban đầu Nhiều khó khăn khâu quản lý, điều khiển hệ thống mạng, ngồi chi phí mạng điện cho máy chủ local lớn Thì hệ thống server đặt cloud nên tận dụng hạ tầng công nghệ nhà cung cấp dịch vụ host Tiết giảm chi phí hoạt động bảo trì hệ thống - Các client sử dụng vi điều khiển với cấu hình phù hợp, tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu lớn, ngồi kích thước IC nhỏ nên kích thước sản 57 an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú phẩm thực tế nhỏ gọn, hoạt động chi phí điện tiêu hao Kèm theo hạn chế sau: - Thiết kế khung hộp bảo vệ chưa thực tối ưu Cần tiếp tục cải tiến tương lai - Hệ thống server giao diện người dùng chưa bắt mắt, kĩ thuật bảo mật thông tin chưa đề cấp đến HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI: Các client cần tích hợp thêm nguồn phụ, lượng mặt trời nhằm tăng khả thích ứng hoàn cảnh thực tế Vừa tiết giảm chi phí hoạt động vừa tiết kiệm nguồn điện Thiết kế client tinh chỉnh nhằm tối ưu kích thước, giá thành Về phần mềm, cập nhật thêm tính quản lý thuê bao di động mà client sử dụng Từ tự động hoạt động quản trị thuê bao di động client Ngoài ra, nhằm để sử dụng tốt hiệu phần cứng nói, đề xuất sử dụng hệ điều hành thời gian thực (RTOS) Với server, cần nghiên cứu phát triển thêm kĩ thuật bảo mật thông tin Nâng cấp giao diện người dùng Với lợi điểm trên, người viết hi vọng công nghệ áp dụngvào đời sống 58 an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Đình Phú (2014), “Giáo trình thực tập Vi điều khiển ARM”, Đại học Sư phạm kỹ thuật, HCM, Việt Nam Tiếng Anh [1] Bernhard Hofmann-Wellenhof, Herbert Lichtenegger, Elmar Wasle (2008), “GNSS – Global Navigation Satellite Systems” soạn nhà xuất Springer-Verlag Wien [2] https://en.wikipedia.org/wiki/General_Packet_Radio_Service [3] DataSheet STM32F030F4P6 [4] DataSheet LM2596 [5] hãng SIMCOM, “SIM900 Hardware Design 2.0” [6] Internet 59 an S an K L 0 ... giao thông Như tảng xây dựng hệ thống điều khiển tín hiệu giao thơng sẵn sàng an Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: Nguyễn Đình Phú Từ vấn đề trên, mục tiêu đề tài thực xây dựng hệ thống điều khiển tín hiệu. .. người xung quanh để ngày đại hiệu Vì thế, việc xây dựng hệ thống điều khiển điều khiển giao thông ngày phát triển với nhu cầu ngày lớn Ngày xưa, việc điều khiển tín hiệu giao thơng thường thực cách... lưới điều khiển tập trung Tối ưu hóa giải thuật Hình thành hệ thống giám sát điều khiển đồng b Tại Việt Nam Do điều kiện kinh tế, hạn chế trình độ kỹ thuật, Việt Nam, hệ thống hệ thống điều khiển