Hệ thống theo dõi lộ trình xe buýt tại thành phố đà nẵng theo thời gian thực

24 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh HỆ THỐNG THEO DÕI LỘ TRÌNH XE BUÝT TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG THEO THỜI GIAN THỰC REAL-TIME BUS ROUTING SYSTEM IN DANANG CITY Nguyễn Thị Khánh Hồng, Phạm Duy Dương Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – ĐH Đà Nẵng, Việt Nam Ngày soạn nhận 25/01/2021, ngày phản biện đánh giá 04/02/2021, ngày chấp nhận đăng 26/02/2021 TÓM TẮT Với Đề án xây dựng thành phố thông minh thành phố Đà Nẵng, giai đoạn 2018-2025, định hướng đến năm 2030 với phát triển mạnh mẽ lợi cơng nghệ IoT, việc tích hợp, ứng dụng IoT lĩnh vực giao thơng thơng minh cải thiện hiệu suất, tối ưu hóa lưu lượng truy cập hệ thống, đem đến tiện dụng cho người dân Từ lợi cơng nghệ cho phép phát triển triển khai nhiều ứng dụng dịch vụ khác lĩnh vực giao thông thông minh Trong báo đề xuất việc ứng dụng mạng diện rộng công suất thấp LoRa cho việc hiển thị lộ trình thời gian chờ xe buýt theo thời gian thực Trong thiết bị đầu cuối đặt xe buýt nhằm thu thập toạ độ GPS xe buýt gửi tọa độ thông tin xe buýt lên Server The Things Network thơng qua hệ thống Gateway có kết nối internet, ứng dụng điện thoại người dùng chờ xe buýt hiển thị vị trí, khoảng cách thời gian xe buýt tương ứng với tuyến người dùng chọn đến vị trí người chờ xe buýt Để làm điều này, đề xuất giải pháp phần cứng sử dụng mạng LoRa thuật tốn để xác định vị trí người dùng xe bt lộ trình nhằm tính tốn thời gian khoảng cách nói Từ khóa: Mạng LoRa; giao thơng thơng minh; lịch trình xe bt; kỹ thuật IoT; thành phố thông minh ABSTRACT In 2018, the Da Nang administration already approved the ‘Building a smarter city’ project for the 2018 - 2025 period, with a vision towards 2030, with a focus on piloting some smart apps in the aspects of transport, environment, water supply control, food safety, security, education, healthcare, and data sharing The development of smart cities based on new technology platforms such as IoT, big data, AI Together with the strong development of IoT technology, the smart transport system can be improved and optimized to bring more convenience for Da Nang citizens It has allowed the development and deployment of many different service applications in the smart transport field In this paper, we present the application of LoRa for real-time bus route and schedule time display Each endnote is placed on the bus in order to collect the GPS coordinates of the bus and send them and the information of the bus to the The Things Network Server through the Gateway via the Internet A mobile application software supports the users about the bus location, distance and time corresponding to the predefined route Thus, we propose a hardware solution using LoRa network and routing algorithm to locate users’ and buses positions and also calculate the aforementioned time and distance Keywords: LoRa; Smart traffic; Bus routing; IoTs; smart city GIỚI THIỆU Tại Hội thảo, chuyên gia đề giải pháp triển khai xây dựng thành phố thông minh Đà Nẵng như: Giải pháp “Thành phố an tồn” dựa cơng nghệ IoT giúp tăng cường an ninh cho thành phố thơng qua hình ảnh từ camera điện thoại di Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh động; giải pháp “Giao thông thông minh” liên quan đến hệ thống quản lý bãi đậu xe thông minh, hệ thống phát hành vi đậu xe trái phép, hệ thống quản lý phương tiện giao thông cộng đồng; giải pháp “Tịa nhà thơng minh” sử dụng cảm biến vi mạch để thu thập liệu, phân tích, hỗ trợ cải thiện độ bền hiệu suất tài sản, giảm thiểu lượng sử dụng; giải pháp “quản lý ứng phó thảm họa” cung cấp tảng thu thập liệu thiệt hại, nhu cầu người tị nạn tạo điều kiện cho trình phục hồi nhanh chóng hơn… Ngày nay, với phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu lại hành khách vận chuyển hàng hoá ngày gia tăng hệ thống hạ tầng chưa đáp ứng kịp đặc biệt thành phố lớn Việt Nam, nơi mà việc quy hoạch giao thông chưa làm tốt từ đầu Xu tất yếu để giải vấn đề giao thơng thơng minh Trong có việc điều khiển phối hợp thơng minh hệ thống đèn tín hiệu giao thơng [1-3], phát tiện ích giao thơng kèm hệ thống xe buýt, dịch vụ cho thuê xe đạp tự động, hệ thống trạm chờ xe Hiện địa bàn thành phố Đà Nẵng nói riêng thành phố lớn nước nói chung trọng đến phát triển giao thông công cộng giao thông thông minh Thành phố Đà Nẵng khuyến khích người dân chuyển sang dùng dịch vụ giao thơng cơng cộng thay dùng phương tiện cá nhân Hệ thống xe buýt công cộng thành phố Đà Nẵng bao gồm 14 tuyến có 01 tuyến buýt TMF Quỹ Toyota Mobility Foundation tài trợ, 06 tuyến buýt trạng (không trợ giá), 05 tuyến buýt trợ giá 02 tuyến buýt du lịch N1, N2 Tuy nhiên, hệ thống xe buýt nhiều tồn đọng gặp nhiều vấn đề khó khăn như: - Mật độ che phủ cịn thưa, có 05 tuyến trợ giá 01 tuyến TMF phục vụ nhu cầu lại thường ngày người dân Nên chưa giải nhu cầu lại 25 người dân với hệ thống chưa hồn thiện, tính kết nối chưa cao - Khuyến khích sử dụng xe buýt xây dựng thói quen mới, ngược lại “văn hóa xe máy” ăn sâu vào máu người dân Đà Nẵng - Thay đổi thái độ tiêu cực người dân xe buýt Đà Nẵng Xây dựng hình ảnh xe buýt, chất lượng dịch vụ cao, sẽ, thoáng mát, văn minh, lịch - Nhiều cá nhân vô ý thức, xâm chiếm khu vực nhà chờ khu vực đậu đỗ vào điểm dừng xe bt, làm trầm trọng hóa nhiều vấn đề thị ùn tắc, tai nạn giao thông - Vấn đề ùn tắc giao thông số tuyến đường thành phố cao điểm vấn đề đáng kể đến việc sử dụng xe buýt công cộng người dân Do việc tạo tiện ích cho người dùng, nâng cao chất lượng phục vụ cần thiết Hiện thành phố Đà Nẵng có hệ thống kiểm tra lịch trình xe bt offline Các thơng tin tra cứu tuyến đường, khoảng cách lần xe buýt vào bình thường cao điểm Do cần phải triển khai hệ thống cung cấp nhiều tiện ích giúp người dùng kiểm tra trực tuyến thông tin tuyến xe buýt theo thời gian thực giúp cho người dùng chủ động tiết kiệm thời gian việc di chuyển hệ thống giao thông công cộng Chúng nhận thấy điều đặc biệt cần thiết hữu dụng không với người dân Đà Nẵng mà với khách du lịch, người đến thành phố Chúng đề xuất xây dựng hệ thống hiển thị lịch trình tuyến xe buýt thời gian chờ xe cho người dùng dựa mạng LoRa Mạng LoRa mạng diện rộng, công suất thấp, với khoảng cách truyền lên đến 10 km Do cần số nhỏ cổng Gateway đủ phủ sóng phạm vi tồn thành phố Đặc biệt, thành phố Đà Nẵng hướng đến phủ sóng LoRa 26 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh nên việc ứng dụng cho mục đích thuận lợi TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỀ XUẤT Tổng quan hệ thống hiển thị thời gian chờ xe buýt thể Hình Trong đó, thiết bị đầu cuối đặt xe buýt trình di chuyển Thiết bị đầu cuối gồm vi điều khiển Arduino Pro Mini để đọc thông tin tọa độ từ mô đun GPS thông tin riêng xe gửi Server The Things Network thơng qua hệ thống Gateway LoRa có kết nối Internet Cấu tạo thiết bị đầu cuối đặt xe buýt thể Hình Một ứng dụng cho điện thoại di động xây dựng để lấy toạ độ xe buýt gần tương ứng với tuyến xe buýt chọn hướng tới người dùng để tính tốn khoảng cách, thời gian xe bt đến vị trí người dùng Thiết bị xe buýt Gateway LoRa Vị trí, thơng tin xe Internet Thơng tin xe bt THUẬT TỐN TÍNH KHOẢNG CÁCH VÀ THỜI GIAN CHỜ XE Khoảng cách thời gian xe buýt đến vị trí người dùng cho tuyến xe buýt cụ thể Do tuyến xe buýt hoạt động phạm vi hẹp thành phố nên để đơn giản điểm tuyến xe buýt xem nằm mặt phẳng Một tuyến xe buýt qua số tuyến đường cụ thể Về nguyên tắc cần thu thập tọa độ điểm dọc theo tuyến đường Điều thực việc lấy tọa độ Google Map sử dụng thiết bị gắn xe buýt để ghi lại tồn hành trình Do tuyến đường thành phố đa số tuyến đường thẳng Nên cần thu thập toạ độ điểm hai đầu tuyến đường Với tuyến đường không thẳng thu thập nhiều điểm tuyến tính hố thành đoạn đường thẳng Theo cách toạ độ GPS điểm cần thu thập nên chúng tơi xác định trực tiếp toạ độ điểm Google Map Khoảng cách từ xe buýt đến người dùng xác định tổng khoảng cách đoạn thẳng nối từ xe buýt đến người dùng Trong độ dài đoạn thẳng xác định từ toạ độ điểm liên tiếp thu thập sau Internet 𝑙𝑖 = 𝐾√(𝑥𝑖+1 − 𝑥𝑖 )2 +(𝑦𝑖+1 − 𝑦𝑖 )2 Ứng dụng điện thoại Server Hình Tổng quan hệ thống đề xuất Trong đó, 𝑙𝑖 độ dài đoạn thứ 𝑖, 𝑥𝑖 𝑦𝑖 vĩ độ kinh độ (ở dạng thập phân) điểm thứ 𝑖, 𝐾 hệ số quy đổi khoảng cách tọa độ kinh vĩ tuyến sang khoảng cách thực tế Điểm i Toạ độ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO PRO MINI (1) MÔ ĐUN GPS Điểm i+3 Xe/người 𝑑𝑖 Điểm i+2 𝑟𝑖 𝑅𝑖 Toạ độ Thông tin xe MƠ ĐUN LORA Hình Sơ đồ thiết bị đầu cuối đặt xe buýt Điểm i-1 Điểm i+1 Hình Xác định vị trí xe/người tuyến xe buýt Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Mặc dù có toạ độ GPS xe buýt người dùng, việc xác định xe người thuộc đoạn thẳng điều khó khăn điểm khơng hoàn toàn nằm trùng khớp đoạn thẳng, xuất nhiều đoạn đường gấp khúc đặc biệt Tiêu chí đề xuất để xác định điểm nằm đoạn thẳng có khoảng cách đến đoạn thẳng bé nằm bên đường trịn có đường kính đoạn thẳng Hình Phương trình qua điểm (𝑥𝑖 , 𝑦𝑖 ) (𝑥𝑖+1 , 𝑦𝑖+1 ) tính sau 𝑎𝑥 + 𝑏𝑦 + 𝑐 = (2) Trong 𝑎 = 𝑦𝑖 − 𝑦𝑖+1 𝑏 = 𝑥𝑖+1 − 𝑥𝑖 𝑐 = (𝑥𝑖 − 𝑥𝑖+1 )𝑦𝑖 + (𝑦𝑖+1 − 𝑦𝑖 )𝑥𝑖 Khoảng cách từ xe/người có toạ độ (𝑥0 , 𝑦0 ) đến đường thẳng tính sau 𝑑𝑖 = 𝐾 𝑎𝑥0 + 𝑏𝑦0 + 𝑐 (3) √𝑎2 + 𝑏 Điều kiện xe/người có toạ độ (𝑥0 , 𝑦0 ) nằm đường trịn Hình tương ứng với điều kiện khoảng cách từ xe/người đến trung điểm đoạn thẳng xác định điểm (𝑥𝑖 , 𝑦𝑖 ) (𝑥𝑖+1 , 𝑦𝑖+1 ) bé bán kính đường trịn biểu diễn sau (4) 𝑟𝑖 ≤ 𝑅𝑖 27 đoạn thẳng (tính theo cơng thức (1)) nằm xe người Đó khoảng cách hiển thị lên ứng dụng người dùng xe buýt cách bao xa thời gian hiển thị xe buýt tới tính từ khoảng cách tốc độ trung bình xe buýt thành phố Tất nhiên tốc độ hiệu chỉnh nhiều cách khác để nâng cao độ xác hiệu chỉnh theo thời điểm ngày, hiệu chỉnh theo tốc độ thực tế xe chạy, hiệu chỉnh theo khu vực dân cư hay tính chất đoạn đường,… THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ Để tiến hành thực nghiệm kiểm chứng kết quả, nhóm thử nghiệm hệ thống với tuyến xe buýt số thành phố Đà Nẵng Trong đó, thiết bị đầu cuối đặt xe buýt kết nối đến LoRaWan Gateway có kết nối Internet Một người dùng sử dụng điện thoại có ứng dụng đề xuất để theo dõi việc hiển thị vị trí xe buýt, khoảng cách thời gian xe buýt đến vị trí người dùng Bản đồ tuyến xe buýt số giao diện ứng dụng thể Hình với toạ độ lấy Google Map gồm 15 điểm Bảng với điểm đầu tương ứng với bến xe buýt phía cầu Thuận Phước điểm thứ 15 tương ứng với điểm cuối lộ trình phía biển Xn Thiều Tổng lộ trình 16,1 km Với 𝑟𝑖 = 𝐾 √(𝑥0 − 𝑥𝑖 − 𝑥𝑖−1 𝑦𝑖 − 𝑦𝑖−1 ) + (𝑦0 − ) 𝑅𝑖 2 = 𝐾√(𝑥𝑖 − 𝑥𝑖−1 )2 + (𝑦𝑖 − 𝑦𝑖−1 )2 Như vậy, sau xác định vị trí xe buýt người nằm đoạn thứ 𝑖 𝑗 lộ trình tuyến xe buýt, lúc lộ trình chuyến xe buýt xem thêm vào điểm vị trí xe điểm vị trí người dùng Khi đó, khoảng cách từ người đến xe tính tổng tất Hình Tuyến xe buýt số Thành phố Đà Nẵng Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 16.0868332 108.2200742 16.0854875 108.2195665 16.0826708 108.2224061 16.0754879 108.2235842 16.0713661 108.1882769 16.0718352 108.1861849 16.0675518 108.1822800 16.0750867 108.1757973 16.0720609 108.1736554 10 16.0782480 108.1642227 11 16.0653438 108.1552607 12 16.0671471 108.1527712 13 16.0870323 108.1442451 14 16.0921060 108.1498178 15 16.1078196 108.1342972 (a) Để kiểm chứng độ xác cách định tính, xe bt chúng tơi có đặt điện thoại có mở sẵn Google Map với chức định vị GPS Trong đó, thiết bị đầu cuối đặt xe buýt chế tạo theo ngun lý Hình có hình dạng thực tế Hình Trong thiết bị đầu cuối sử dụng mạch LoRa có anten tích hợp sẵn mạch [4], mô đun GPS sử dụng loại NEO-6 [5], vi điều khiển sử dụng Arduino Pro Mini [6] Khối GPS Bảng Toạ độ GPS điểm đầu đoạn đường tuyến xe buýt Vị trí Vĩ độ Kinh độ Khối nguồn 28 Arduino Pro Mini Hình Thiết bị đầu cuối đặt xe buýt (b) (c) Hình a) Ứng dụng điện thoại người dùng; b) Vị trí xe điện thoại đặt xe buýt; c) Tính khoảng cách sử dụng Google Map Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Điện thoại xe buýt điện thoại cài ứng dụng chờ xe buýt kích hoạt ghi hình hình lúc Kết việc so sánh vị trí khoảng cách từ xe buýt đến người dùng thể Hình tương ứng với thời điểm 24 phút 08 giây sau xe buýt khởi hành từ bến Xuân Diệu Trong Hình 6a hình ảnh cắt từ video điện thoại người dùng với biểu tượng xe buýt màu xanh vị trí xe buýt biểu tượng chấm màu đỏ vị trí người dùng chờ xe buýt trạm dừng, Hình 6b hình ảnh cắt từ video điện thoại đặt xe buýt, Hình 6c hình ảnh tính tốn khoảng cách ứng dụng Google Map Như thấy, vị trí xe Hình 6a, 6b trùng khớp khoảng cách hiển thị cho người dùng (0,85 km) Hình 6a tương ứng với khoảng cách tính tốn Hình 6c KẾT LUẬN Trong báo đề xuất việc ứng dụng mạng diện rộng công suất thấp LoRa cho việc hiển thị lộ trình thời gian chờ xe buýt Trong thiết bị đầu cuối đặt xe buýt nhằm thu thập toạ độ GPS xe buýt gửi tọa độ thông tin xe buýt lên Server The Things Network thơng qua hệ thống Gateway có kết nối internet, ứng dụng điện thoại người dùng chờ xe buýt hiển thị vị trí, khoảng cách thời gian xe buýt tương 29 ứng với tuyến người dùng chọn đến vị trí người chờ xe buýt Để làm điều này, đề xuất thuật tốn đơn giản để xác định vị trí người dùng xe bt lộ trình nhằm tính tốn thời gian khoảng cách nói Hệ thống thử nghiệm cho tuyến xe buýt số thành phố Đà Nẵng Việc tính thời gian chờ xe bt tính trung bình dựa khoảng cách tốc độ trung bình xe Điều chưa hồn chỉnh thời gian thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố Hướng phát triển tương lai triển khai hệ thống vào thực tế cần xét đến tình trạng giao thơng tuyến xe buýt để điều chỉnh vận tốc trung bình phù hợp Thậm chí cịn xét đến tình trạng giao thông đoạn đường, thời điểm cụ thể, vận tốc thực xe thời điểm để tính thời gian chờ xác Mặc dù kết bước đầu khả quan nhiều vấn đề cần khắc phục cần phát triển thuật tốn thử nghiệm có nhiều xe buýt tuyến, việc lựa chọn tuyến khác ứng dụng điện thoại LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ ngân sách nghiên cứu khoa học trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật – Đại học Đà Nẵng đề tài có mã số T2019-06-117 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] Phạm Duy Dưởng, Trần Hoàng Vũ, Phan Cao Thọ , “Giải pháp điều khiển hệ thống đèn tín hiệu giao thơng thơng minh sử dụng PLC S7-1200”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ ĐHĐN, Số 11(120).2017-Quyển 2, trang: 46-50, năm 2017 Phan, Cao Tho; Pham, Duong Duy; Tran, Vu Hoang; Tran, Viet Trung; Nguyen-Huu, Phat , “Applying the IoT platform and green wave theory to control intelligent traffic lights system for urban areas in Vietnam” KSII Transactions on Internet and Information Systems, no: 13(1), pages: 34-51, 2019 Cao Tho Phan; Duy Duong Pham; Phuong Mai Nguyen; Hoang Vu Tran , “Green Wave - based Solution for Intelligent Traffic Lights System Control in Vietnam Urban Areas”, 4th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD 2018 ) Pages: 771-776, 2018 C Pham, F Ferrero, M Diop, L Lizzi, O Dieng, O Thiaré, "Low-cost Antenna Technology for LPWAN IoT in Rural Applications", Proceedings of the 7th IEEE 30 [5] [6] Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 64 (06/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh International Workshop on Advances in Sensors and Interfaces (IWASI'17), Vieste, Italy, June 15-16, 2017 NEO-6, u-blox GPS Modules Datasheet, Online: https://www.ublox.com/sites/default/files/products/documents/NEO-6_DataSheet_(GPS.G6-HW09005).pdf SparkFun Electronics, Arduino Pro Mini Graphical Datasheet, Online: https://www.digikey.com/en/datasheets/sparkfun-electronics/sparkfun-electronicsadruinopromini3-3v_gettingstarted_web Tác giả chịu trách nhiệm viết: Nguyễn Thị Khánh Hồng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng Email: ntkhong@ute.udn.vn ... xác định vị trí người dùng xe bt lộ trình nhằm tính tốn thời gian khoảng cách nói Hệ thống thử nghiệm cho tuyến xe buýt số thành phố Đà Nẵng Việc tính thời gian chờ xe buýt tính trung bình dựa... khiển phối hợp thơng minh hệ thống đèn tín hiệu giao thơng [1-3], phát tiện ích giao thơng kèm hệ thống xe buýt, dịch vụ cho thuê xe đạp tự động, hệ thống trạm chờ xe Hiện địa bàn thành phố Đà Nẵng. .. hiển thị lộ trình thời gian chờ xe buýt Trong thiết bị đầu cuối đặt xe buýt nhằm thu thập toạ độ GPS xe buýt gửi tọa độ thông tin xe buýt lên Server The Things Network thơng qua hệ thống Gateway