Hệ thống giám sát và cân tĩnh tải trọng xe trường cao đẳng giao thông vận tải

ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI - - ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE Chủ nhiệm: ThS HOÀNG HOÀI NAM TP.HCM, 08 / 2019 Trang ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG GIAO THƠNG VẬN TẢI - - ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE Thành viên: ThS HOÀNG HOÀI NAM (Chủ nhiệm) ThS NGUYỄN NGỌC TRUNG ThS NGUYỄN ĐỨC LỢI ThS LÊ KIM HÒA TP.HCM, 08 / 2019 Trang LỜI CÁM ƠN Trước thách thức khách quan điều kiện hạn hẹp kinh phí, nhóm nghiên cứu đề tài “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE” gặp phải khơng khó khăn q trình thực thi sản phẩm Tuy nhiên nhờ hỗ trợ, động viên đạo kịp thời Ban Giám hiệu nhà trường, hướng dẫn cách trình bày đề tài cho khoa học Phòng Đào tạo, thêm tư vấn kỹ thuật từ đồng nghiệp, chuyên gia, với nổ lực nhóm q trình nghiên cứu, thảo luận, chung tay góp sức cuối nhóm hồn thành xong đề tài mục tiêu đề thời hạn cho phép Để có kết ngày hơm nay, nhóm khơng thể qn giúp đỡ từ cấp lãnh đạo đến bạn bè đồng nghiệp gần xa Nhóm xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban Giám hiệu nhà trường, lời cảm ơn chân thành đến Phòng Đào tạo, Phòng Quản trị vật tư, Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử bạn bè đồng nghiệp giúp nhiều cho nhóm thời gian qua Trang MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Chúng nhận thấy việc đào tạo sở lý thuyết cho sinh viên ngành kỹ thuật điện, điện tử hay tự động hóa, đến điện tử cơng nghiệp điện lạnh cần rèn luyện thêm tay nghề, nâng cao kỹ nghề nghiệp, biết cách vận dụng kiến thức học vào việc sáng tạo sản phẩm đáp ứng yêu cầu xã hội Để giải toán khó khăn ln vấn đề đầy trăn trở Ban lãnh đạo Nhà trường, lãnh đạo Phòng, Khoa, đội ngũ nhà giáo trực tiếp tham gia giảng dạy Vậy đâu liệu pháp cần thiết nhất? Nhận thức tầm quan trọng việc “học đôi với hành” với nguồn tài nguyên nhân lực nhà trường, tập thể Thầy Trị trường ln mong muốn có mơ hình sát với thực tế, có đầy đủ tính để phục vụ tốt cho cơng tác Dạy Học đề tài nhóm phải chọn lọc có tính thiết thực, áp dụng cơng nghệ vào đời sống xã hội Có lẽ thờ trước tai nạn thương tâm, đáng nói tai nạn giao thơng thường gây tổn thất lớn người Theo đánh giá Ủy Ban An toàn giao thơng quốc gia ngun nhân lớn tình trạng xe chở tải, khổ làm hư hỏng đường xá xe ln, tài xế khơng làm chủ tốc độ điều khiển theo ý muốn nên tai nạn giao thơng ln rình rập khắp nơi nỗi khiếp sợ người dân lưu thông đường Nhằm vận dụng kiến thức tài nguyên có, Nhóm nghiên cứu đưa đề xuất việc thực đề tài : “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE” nhằm xác định xe tải lưu thông đường để quan chức có biện pháp chế tài, xử lý, ngăn chặn Hệ thống hướng đến mục tiêu sau:  Mời xe vào trạm để tiến hành cân đo, xác định xe đến vị trí  Mỗi xe có ID xác định thông qua thẻ RFID để định danh biển số xe, tên chủ xe, tên tài xế, loại xe, tải trọng cho phép tối đa, thời hạn đăng kiểm Trang  Cân đo tải trọng xe dùng loadcell  Sử dụng camera chụp hình xe, biển số xe  Dữ liệu gởi lên database  Xây dựng web application, phân quyền Admin, User  Thuật tốn phân tích xe có đủ điều kiện lưu thơng hay tải hay không?  Điều khiển barier cho xe vào /  Hiển thị thông tin hình LCD, phát tín hiệu loa cảnh báo  Xuất liệu báo cáo file pdf, in phiếu kiểm tra  Sau hoàn thiện sản phẩm mơ hình phục vụ cơng tác dạy học trực quan tham gia triển lãm ngày hội tuyển sinh Ngồi nhóm nghiên cứu tham gia thực đề tài nhằm:  Tạo đồng thuận phối hợp tốt công tác nghiên cứu khoa học đội ngũ Cán – Giảng viên – Công nhân viên công tác Trường Cao đẳng GTVT  Khẳng định lực chuyên môn đội ngũ cán bộ, giảng viên, cơng nhân viên qua tạo uy tín, niềm tin nơi sinh viên, học sinh, học viên theo học nhà trường  Tạo hứng thú thắp lửa cho công tác nghiên cứu khoa học đặc biệt đội ngũ nhà giáo trẻ sinh viên học sinh theo học trường Trang MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN MỤC TIÊU ĐỀ TÀI MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 10 DANH MỤC HÌNH 11 Chương 1: TỔNG QUAN 13 1.1Thông tin đề tài 13 1.2Giới thiệu chung 13 1.2.1 Tình hình nghiên cứu giới 13 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 15 1.2.3 Tính cấp thiết đề tài: 17 1.3 Mục tiêu, đối tượng phương pháp nghiên cứu 20 1.3.1 Mục tiêu đề tài 20 1.3.2 Phạm vi đối tượng nghiên cứu 21 1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 22 1.4 Bố cục đề tài 22 1.5 Nhiệm vụ tiến trình thực 23 1.6 Yêu cầu chức hệ thống 25 Chương 2: XÁC ĐỊNH YÊU CẦU 25 Trang 2.1 Nhận định vấn đề 25 2.2 Sơ đồ khối 26 2.2.1 Sơ đồ khối mơ hình 26 2.2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống : 26 2.3 Công cụ kỹ thuật 26 2.4 Đặc tả yêu cầu phần cứng – phần mềm hệ thống 27 2.4.1 Yêu cầu quyền quản trị Administrator 27 2.4.2 Yêu cầu người dùng USER 27 2.4.3 Yêu cầu phần cứng 28 Chương 3: NỘI DUNG THỰC HIỆN 30 3.1Khối đầu vào (input block): 30 3.1.1 Cảm biến từ 30 3.1.2 Cảm biến Loaadcell 32 3.1.3 Cảm biến tiệm cận hồng ngoại 34 3.1.4 Thẻ RFID đầu đọc thẻ 36 3.1.5 Camera ghi hình 37 3.2Khối đầu (Output block): 38 3.2.1 Màn hình LCD 38 3.2.2 Xuất âm loa 39 3.2.3 Đèn tín hiệu giao thơng 39 3.2.4 Thanh chắn Barier 40 3.3Khối xử lý (process block): 42 3.3.1 Bộ xử lý giao tiếp với Server 42 Trang 3.3.2 Bộ xử lý giao tiếp với thiết bị phần cứng 42 3.4Khối phần mềm (software block) 43 3.4.1 Ý tưởng thiết kế 43 3.4.2 Thiết kế giao diện 45 3.5Khối nguồn cung cấp 46 3.6Kỹ thuật truyền gởi liệu 47 3.6.1 Chuẩn giao tiếp I2C 47 3.6.2 Chuẩn giao tiếp SPI 47 3.6.3 Chuẩn giao tiếp UART 48 3.6.4 Giao thức HTTP 48 Chương 4: KIỂM TRA HỆ THỐNG 49 4.1 Kiểm tra khối nguồn 49 4.2 Kiểm tra khối cảm biến 49 4.3 Kiểm tra kết cấu 50 4.4 Kiểm tra mạch âm 51 3.5 Kiểm tra tính 51 Chương 5: KẾT LUẬN 52 5.1 Ưu khuyết điểm đề tài 52 5.2 Hướng phát triển đề tài 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 Trang DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Tiếng Việt: GTVT Giao thông vận tải LĐ-TB&XH Lao động – Thương binh & Xã hội NCKH Nghiên cứu khoa học Tiếng Anh: AC Alternating Current ADC Analog to Digital Converter Arduino IDE Arduino Integrated Development Environment CSS Cascading Style Sheets DAC Digital to analog converter DC Direct current IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IR Sensor InfraRed sensor HTTP Hypertext Transfer Protocol PLC Programable Logic Control PWM Pulse width modulation RF Radio Frequency RGB Red –Green – Blue UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter VOM Volt - Ohm - Milliam meter Trang DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 : Bảng phân công nhiệm vụ 23 Bảng 1.2: Bảng kế hoạch lịch trình làm việc 24 Trang 10 Hình 3.13: Module kết nối IIC 3.2.2 Xuất âm loa Để tạo tín hiệu âm cảnh báo cho người điều khiển phương tiện nhóm thiết lập file âm mp3 cho raspberry để từ xuất loa Hình 3.14: Loa xuất âm 3.2.3 Đèn tín hiệu giao thơng Để đưa tín hiệu cảnh báo cho người điều khiển phương tiện:  Khi xe tải: bật đèn đỏ, barrier chốt lại không cho xe lưu thông, yêu cầu xe vào đường tránh để hạ tải  Khi xe tải: đèn xanh bật sáng, barier mở, xe phép lưu thơng  Khi q trình thực hiện: đèn vàng sáng Đề tài: “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE ỨNG DỤNG IoT” Trang 39 Hình 3.15: Mạch đèn giao thơng màu dùng Led siêu sáng 3.2.4 Thanh chắn Barier Nhóm định chọn barrier để xây dựng hệ thống cân đo, barrier đầu vào mở mời xe vào, xe vào vị trí barrier đóng lại, barrier đóng để tiến hành cân đo, xe cân xong đạt yêu cầu lưu hành barrier mở đống thời barrier mờ xe vào cân Đề tài: “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE ỨNG DỤNG IoT” Trang 40 Hình 3.16: Hệ thống barrier trước sau xe Để điều khiển chắn barrier nhóm chọn động servo kích hoạt góc quay 900 điều khiển xử lý trung tâm Hình 3.17: Hệ thống chắn Barrier dùng servo motor Đề tài: “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE ỨNG DỤNG IoT” Trang 41 3.3 Khối xử lý (process block): 3.3.1 Bộ xử lý giao tiếp với Server Để xử lý kết nối với server nhóm chọn raspberry Đây máy tính nhúng, chạy hệ điều hành raspbian Hỗ trợ khả xử lý đồ họa, đa tác vụ giúp giải tác vụ đòi hỏi nhớ khả xử lý cao dùng làm trung tâm để xử lý truyền thông tin máy chủ web Arduino Hình 3.18: Bộ xử lý trung tâm Raspberry 3.3.2 Bộ xử lý giao tiếp với thiết bị phần cứng Để kết nối với raspberry thiết bị / sensor nhóm chọn vi điều khiển AT Mega 2560 Arduino Mega 2560 R3 bảng vi điều khiển dựa ATmega2560 Bảng có 54 chân I / O (PWM 14 chân), 16 đầu vào analog, UART, thạch anh 16 MHz, cổng USB nút RESET Hình 3.19: Sơ đồ chân chip AT mega 2560 Đề tài: “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE ỨNG DỤNG IoT” Trang 42 3.4 Khối phần mềm (software block) 3.4.1 Ý tưởng thiết kế Tài liệu mô tả thiết kế giao diện kỹ thuật người dùng hệ thống đo trọng lượng xe Nó bao gồm thiết kế kiến trúc, thiết kế chi tiết chức phổ biến chức kinh doanh thiết kế mơ hình sở liệu Thiết kế kiến trúc mô tả kiến trúc tổng thể hệ thống kiến trúc thành phần hệ thống Hình 3.20: Thiết kế hệ thống tổng quan Thiết kế chi tiết mô tả cấu trúc tĩnh động cho thành phần chức Nó bao gồm sơ đồ lớp, giải thích lớp sơ đồ trình tự cho trường hợp sử dụng Thiết kế sở liệu mô tả mối quan hệ thực thể chi tiết thực thể Đề tài: “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE ỨNG DỤNG IoT” Trang 43 Hình 3.21: Hệ thống cấu trúc web app Hệ thống giao tiếp phần cứng phần mềm gởi qua server Hình 3.22: Sơ đồ khối phần cứng phần mềm Sơ đồ trình tự (Sequence diagram) Đề tài: “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE ỨNG DỤNG IoT” Trang 44 Hình 3.23: Quét thẻ RF từ phần cứng Sơ đồ cho thấy cách hệ thống tìm thấy liệu thẻ RF 3.4.2 Thiết kế giao diện Hình 3.24: Giao diện admin đăng nhập hệ thống Đề tài: “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE ỨNG DỤNG IoT” Trang 45 3.5 Khối nguồn cung cấp Hệ thống muốn hoạt động tất nhiên phải cần đến khối nguồn, khối hệ thống lại cần mức cấp nguồn khác Tuy nhiên nguồn cấp cho vi điều khiển cần ổn định để hệ thống làm việc chuẩn xác Vi điều khiển muốn hoạt động cần phải cấp nguồn ổn áp volt, hệ thống cần mạch nguồn ổn áp 5v nhiên có nhiều IC tạo điện áp ngõ 5V 7805, LM317, LM2672, LM2674, LM2576 Hình 3.25: Hình ảnh sơ đồ chân IC LM2576 Nhóm định chọn IC ổn áp có dịng cung cấp lớn để tránh mạch vi xử lý bị reset dịng khơng đủ lớn Như IC LM2576 IC đáp ứng yêu cầu nhờ dịng cấp tối đa 3A Hình 3.26: Mạch nguồn ổn áp 5V dùng IC2576 Đề tài: “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE ỨNG DỤNG IoT” Trang 46 3.6 Kỹ thuật truyền gởi dữ liệu 3.6.1 Chuẩn giao tiếp I2C I2C (Inter-Integrated Circuit) giao thức nối tiếp cho giao diện hai dây để kết nối thiết bị tốc độ thấp vi điều khiển, EEPROM, chuyển đổi A / D D / A, giao diện I / O thiết bị ngoại vi tương tự khác hệ thống nhúng Hình 3.27: Sơ đồ kết nối theo chuẩn I2C 3.6.2 Chuẩn giao tiếp SPI SPI (Serial Peripheral Interface) đặc tả giao diện nối tiếp đồng sử dụng để liên lạc khoảng cách ngắn, chủ yếu hệ thống nhúng Giao diện Motorola phát triển vào cuối năm 1980 trở thành tiêu chuẩn thực tế Các ứng dụng điển hình bao gồm thẻ Secure Digital hình tinh thể lỏng Hình 3.28: Sơ đồ kết nối theo chuẩn SPI Đề tài: “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE ỨNG DỤNG IoT” Trang 47 3.6.3 Chuẩn giao tiếp UART UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) thiết bị giao tiếp nối tiếp thực chuyển đổi liệu song song sang nối tiếp phía máy phát chuyển đổi liệu nối tiếp song song phía máy thu Hình 3.29: Sơ đồ kết nối giao tiếp UART 3.6.4 Giao thức HTTP Giao thức truyền siêu văn (HTTP) giao thức ứng dụng cho hệ thống thông tin phân tán, hợp tác hypermedia HTTP tảng truyền thông liệu cho World Wide Web Siêu văn văn có cấu trúc sử dụng liên kết logic (siêu liên kết) nút có chứa văn HTTP giao thức để trao đổi chuyển siêu văn Các chức HTTP giao thức đáp ứng u cầu mơ hình máy tính máy khách Ví dụ, trình duyệt web máy khách ứng dụng chạy máy tính lưu trữ trang web máy chủ Máy khách gửi thông báo yêu cầu HTTP đến máy chủ Máy chủ, cung cấp tài nguyên tệp HTML nội dung khác thực chức khác thay cho máy khách, trả thông báo phản hồi cho máy khách Phản hồi chứa thơng tin trạng thái hồn thành yêu cầu chứa nội dung yêu cầu nội dung thư Đề tài: “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE ỨNG DỤNG IoT” Trang 48 Chương IV: KIỂM TRA HỆ THỐNG Trong dự án hay phần mềm giai đoạn kiểm tra (testing) giai đoạn quan trọng thiếu để xác định mức độ tin cậy sản phẩm Trong suốt trình thực đồ án, song song với việc phát triển sản phẩm nhóm có đánh giá tồn diện (testcase) kèm để kịp thời cải thiện sửa chữa để sản phẩm thực hoàn thiện mong muốn Sau testcase đặc biệt nhóm tổng hợp lại: 4.1 Kiểm tra khối nguồn Sau thực thi xong phần cứng hệ thống, nhóm tiến hành kiểm tra nguồn điện cung cấp cho hệ thống Nhóm tiến hành dùng VOM đo đạc mức áp cấp cho vi điều khiển đạt volt, mức áp cấp cho khối cơng suất 12 volt Hình 4.1: Đồng hồ đo kiểm VOM 4.2 Kiểm tra khối cảm biến Nhóm tiến hành kiểm tra xem mạch cảm biến gắn hệ thống để nhận độ tin cậy xác nhận khoảng cách phát đối tượng bao xa Nhóm nhận thấy: Đề tài: “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE ỨNG DỤNG IoT” Trang 49 Khi có đối tượng tiến lại vùng hoạt động cảm biến từ tín hiệu ngõ cảm biến chuyển từ mức logic cao [1] sang mức logic thấp [0] gởi đến Arduino Hình 4.2: Sơ đồ kết nối sensor module sóng ngõ mức thấp Ngược lại đối tượng xa vùng hoạt động cảm biến cảm biến lại chuyển từ mức [0] cho mức logic [1] Hình 4.3: Sơ đồ kết nối IR sensor module sóng ngõ mức thấp Qua nhiều lần kiểm tra ( Test case ) nhóm thấy hệ thống có đáp ứng đầu theo chương trình thiết lập 4.3 Kiểm tra kết cấu Khi kết nối xong phần cứng mơ hình, nhóm kiểm tra phần khí chân đế, khung sắt, mặt thi công Board mạch gắn chắn chống rung động tốt, lớp vỏ hộp vừa có chức che chắn vừa có tính thẩm mỹ chống sốc cách điện tốt Đề tài: “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE ỨNG DỤNG IoT” Trang 50 4.4 Kiểm tra mạch âm Đo đạc kiểm tra tín hiệu truyền xuất loa, tín hiệu đáp ứng tốt, âm nghe rõ ràng Phát tín hiệu theo yêu cầu thi 3.5 Kiểm tra tính Tiến hành thực kiểm tra đầy đủ tính mơ hình thơng qua trường hợp có khả xảy xem hệ thống có đáp ứng với tính hay khơng Sau tiến hành thử nghiệm với trường hợp trên, nhóm có độ tin tưởng vào hệ thống cao nhóm đề xuất người dùng sử dụng hệ thống nên tuân thủ theo trình tự bước hướng dẫn Đề tài: “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE ỨNG DỤNG IoT” Trang 51 Chương 5: KẾT LUẬN 5.1 Ưu khuyết điểm đề tài Sau tháng miệt mài làm việc nghiêm túc, nhóm nghiên cứu nhận hỗ trợ tích cực từ phía Ban Giám hiệu nhà trường, Phòng Đào tạo động viên từ đồng nghiệp, dẫn từ chun gia, cuối nhóm hồn thành đề tài “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE” mong đợi Sản phẩm nhóm có ưu điểm đáng kể sau: - Nội dung report trình bày mạch lạc, logic có tính xuyên suốt, đảm bảo tính khoa học từ sở lý thuyết đến việc vận dụng thiết kế để thi cơng mạch xử lý - Mơ hình thi cơng chắn, an tồn, có tính thẩm mỹ, giao diện đẹp, thân thiện với người dùng, dễ dàng sử dụng - Sản phẩm có tính ưu việt, hoạt động xác theo kịch người sử dụng Tuy nhiên, cịn lý khách quan lẫn chủ quan bị giới hạn ý tưởng, kinh phí, thời gian thị trường chưa có sản phẩm có tính tương tự để nhóm tham khảo, học hỏi nên sản phẩm nhiều phải có thiếu sót Nhóm nghiên cứu thành tâm cảm ơn xin đón nhận ý kiến đóng góp từ chuyên gia, đồng nghiệp, em sinh viên người dùng sản phẩm để nhóm điều chỉnh, nâng cấp cho sản phẩm ngày hoàn thiện 5.2 Hướng phát triển đề tài Sản phẩm nhóm đạt mục tiêu ban đầu đề ra, tạo động lực thúc đầy để nhóm tiếp tục nghiên cứu việc cải tiến bổ sung thêm nhiều tính sau này, để sản phẩm dễ dàng tiếp cận thị trường Đề tài: “HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CÂN TĨNH TẢI TRỌNG XE ỨNG DỤNG IoT” Trang 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO A Tiếng Việt [1]Nguyễn Đức Lợi, Trần Khánh Ninh, Võ Phú Cường (2013), “giáo trình vi xử lý”, Trường Cao đẳng GTVT, Tp.HCM [2] Ngơ Diên Tập, Phạm Huy Quỳnh(1999), “lập trình C kỹ thuật điện tử”, NXB Khoa học Kỹ thuật [3] Nguyễn Ngọc Trung, Nguyễn Đức Lợi (2014), “giáo trình đo lường cảm biến”, Trường Cao đẳng GTVT, Tp.HCM [4] QCVN 40 (2015), Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia trung tâm sát hạch lái xe giới đường bộ, Bộ GTVT B Tiếng Anh [5] Mark Geddes(2013), “Arduino project handbook”, Dumfries, Royaume-Uni [6] Purdum, Jack (2012), “beginning C for arduino”, Published by Apress Trang 53