Nghiên cứu chế tạo iot datalogger cho hệ thống đèn giao thông thông minh

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CƠ QUAN CHỦ QUẢN CƠ QUAN CHỦ TRÌ NHIỆM VỤ CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO IoT DATALOGGER CHO HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH (Đã chỉnh sửa theo kết luận Hội đồng nghiệm thu ngày 21/12/2020) Chủ nhiệm nhiệm vụ (Ký tên) ThS Nguyễn Quang Vũ Cơ quan chủ trì nhiệm vụ (Ký tên đóng dấu) …………………………… TĨM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Trong điều kiện phương tiện giao thông công cộng Việt Nam chưa phát triển tốt, năm gần vấn đề ách tắc giao thông tuyến đường huyết mạch thành phố lớn điều tránh khỏi Một giải pháp giúp giải tỏa ùn tắc giao thơng hiệu thay đổi chu kỳ tín hiệu giao thông theo thời gian thực xử lý cục trụ đèn giao thông kết hợp với cột đèn khác khu vực Trong đó, hầu hết hệ thống đèn tín hiệu giao thông nước ta hoạt động dựa nguyên tắc định thời tỏ hiệu phương tiện lưu thông hai tuyến đường có chênh lệch lớn mật độ Việc tích hợp với hệ thống điều hành giao thông thông minh đại nước ngồi khơng thể thực công nghệ cũ Điều làm chi phí đầu tư phát triển hệ thống điều hành giao thông phát sinh lớn tất hạ tầng cũ phải hủy bỏ đầu tư hoàn toàn Vấn đề tạo thuận lợi cho quan quản lý hệ thống đèn giao thông thay đổi thông số thời gian tín hiệu Điều khiển từ xa qua mạng thơng qua tảng Internet giai đoạn Cách mạng Công nghiệp 4.0 hệ sinh thái điều khiển vủa hệ thống giao thông xu hướng tất yếu cần phải diễn Nền tảng để xây dựng hệ sinh thái điều khiển giao thông bắt nguồn từ thiết bị đầu cuối xây dựng cách hoàn chỉnh, đáp ứng yêu cầu điều khiển giao tiếp tảng công nghệ 4.0, tảng phục vụ giá trị lớp ứng dụng cấp cao hơn: tích hợp liệu tập trung, ây dựng đồ đèn điều khiển giao thông khu vực thành hệ thống quản lý tập trung, tự động điều chỉnh hoạt động i Đề tài tập trung giải pháp tận dụng nâng cấp hệ thống đèn giao thơng cũ có, giá thành rẻ, giúp tiết kiệm ngân sách thành phố việc tập trung xây dựng lõi công nghệ hệ phần cứng thay thế, nâng cấp trụ trạm giao thông Xây dựng giải pháp tích hợp với hệ thống quản lý đèn tín hiệu giao thơng ứng dụng cơng nghệ tiên tiến Dễ dàng tích hợp vào hệ thống thị thông minh Thành phố xây dựng ii MỤC LỤC TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU i MỤC LỤC iii DANH SÁCH BẢNG viii DANH SÁCH HÌNH ix PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nội dung 1: Nghiên cứu Internet of Thing (IoT) 1.1 Tổng quan IoT Các xu hướng tính chất IoT Ứng dụng IoT 1.2 Nghiên cứu loại vi điều khiển ứng dụng 20 Nội dung 2: Nghiên cứu vi điều khiển 45 2.1 Nghiên cứu xây dựng mạch điều khiển tích hợp vi xử lý 45 2.2 Nghiên cứu phương pháp nhúng chương trình vào mạch điều khiển 49 Nội dung 3: Nghiên cứu loại cảm biến, modun tích hợp, hình điều khiển 51 Nội dung 4: Nghiên cứu phương pháp kết nối điều khiển 55 4.1 Thiết kế xây dựng chuẩn gói tin liệu truyền, kỹ thuật mã hóa, kiểm lỗi 57 4.2 Phương pháp tích hợp cổng kết nối thành modun truyền thông Kỹ thuật gửi liệu với băng thông thấp 59 iii Nội dung 5: Nghiên cứu kỹ thuật lập trình phần mềm ứng dụng tương tác với mạch điều khiển 60 5.1 Kỹ thuật xây dựng ứng dụng máy chủ server 60 5.2 Kỹ thuật xây dựng ứng dụng người dùng 64 5.3 Mơ hình ứng dụng tổng qt 65 Nội dung 6: Tìm hiểu kết cấu, hoạt động số loại đèn điều khiển giao thông 66 Nội dung 7: Thiết kế bảng vẽ mạch điều khiển vi xử lý tích hợp modun, cảm biến hình cảm ứng 77 7.1 Sơ đồ thiết kế tổng quát 78 7.2 Sơ đồ chức Bản mạch IoT DataLogger 78 7.3 Sơ đồ kết nối chân thiết bị IoT DataLogger 80 7.4 Sơ độ nguyên lý chi tiế mạch Relay điều khiển (Mạch công suất) 83 7.5 Schematic đầy đủ (đính kèm theo sản phẩm đề tài) 85 Nội dung 8: Xây dựng mạch điều khiển vi xử lý tích hợp modun, cảm biến hình cảm ứng 85 8.1 PCB layout mạch điều khiển 85 8.2 Hình ảnh 3D mạch điều khiển 85 8.3 Thử nghiệm 86 Nội dung 9: Xây dựng mạch điều khiển vi xử lý tương tác với mạch PLC điều khiển đèn giao thông 87 iv 10 Nội dung 10: Thiết kế xây dựng hệ thống máy tính nhúng trung tâm giám sát điều khiển toàn hoạt động mạch điều khiển vi xử lý nâng cấp 90 11 Nội dung 11: Xây dựng tiêu chuẩn cấu trúc liệu hướng đến hệ thống xử lý trung tâm Thiết kế cài đặt sở liệu 91 11.1 Phân tích, thiết kế mơ hình sở liệu 91 11.2 Xây dựng cấu trúc gói tin gửi / nhận từ điểm trạm đèn giao thông đến trung tâm xử lý 96 11.3 Thử ngiệm gửi nhận liệu cột mạch điều khiển hệ thống xử ý trung tâm 97 12 khiển Nội dung 12: Phát triển ứng dụng điều khiển bảng mạch điều 99 12.1 Mơ hình kiến trúc chương trình nhúng 99 12.2 Đặc tả hệ thống nghiệp vụ thiết kế đề tài 101 12.3 Quản lý thời gian thực 105 12.4 Quản lý giao tiếp Ứng dụng máy chủ server 106 12.5 Quản lý Chế độ vận hành 112 12.6 Quản lý trình đồng chương trình (Script) 113 12.7 Quản lý rủi ro vận hành (ngoại lệ) 116 12.8 Kịch hoạt động 119 12.9 Tiêu chuẩn xây dựng thiết bị IoT DataLogger 120 12.10 Đặc tả chức thiết bị 120 12.11 Sơ đồ hoạt động IoT DataLogger ứng dụng 122 v 12.12 Kiểm nghiệm, thống kê giao tiếp 125 12.13 Kịch hoạt động 127 13 bị Nội dung 13: Xây dựng tính bảo mật tính an tồn thiết 129 13.1 dùng Xây dựng giải pháp mã hóa bảo mật gói tin xác thực người 129 13.2 Xây dựng giải pháp chống lệch pha đèn giao thông 129 13.3 Xây dựng tính remote thiết bị từ xa, phân quyền người dùng, tự động báo lỗi lưu liệu 129 13.4 14 Thử nghiệm chương trình khắc phục lỗi phát sinh 130 Nội dung 14: Thiết kế giao diện lập trình ứng dụng dành cho điện thoại di động máy vi tính windows 130 14.1 Đặc tả nghiệp vụ ứng dụng 130 14.2 Lựa chọn giải pháp thực 131 14.3 Hiện thực giao diện ứng dụng 131 15 Nội dung 15: Mô chạy thử nghiệm phịng thí nghiệm 136 16 Nội dung 16: Mô chạy thử nghiệm sa bàn 137 16.1 Mơ hình sa bàn 137 16.2 Kịch kiểm nghiệm mơ hình 137 17 Nội dung 17: Lắp đặt chạy thử nghiệm cột giao thông Đại học Quốc gia TP.HCM 138 17.1 Vị trí đặc điểm kiểm nghiệm thực tế 138 vi 17.2 Kịch lắp đặt thử nghiệm 140 17.3 Kịch chạy thực tế 143 17.4 Đánh giá kiểm nghiệm 146 CHƯƠNG 2: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 146 Kết luận 146 Kiến nghị 147 LINK DEMO HỆ THỐNG 147 TÀI LIỆU THAM KHẢO 147 vii DANH SÁCH BẢNG Bảng – Nội dung thực đề tài Bảng – Nội dung sản phẩm thực giai đoạn Bảng – Nội dung sản phẩm thực giai đoạn Bảng – Sản phẩm đề tài Bảng – Bảng đặc tả chi tiết kỹ thuật DataLogger 122 viii DANH SÁCH HÌNH Hình – Cách mạng Cơng nghiệp 4.0 Hình – Cách mạng Công nghiệp 4.0 lĩnh vực Hình – IoT Hình – Tốc độ phát triển thiết bị IoT 10 Hình – Smart Home 13 Hình – Thiết bị đeo thong minh 14 Hình – IoT cơng nghiệp 15 Hình – Smart City 16 Hình – Smart Farm 17 Hình 10 – Bán lẻ thơng minh 17 Hình 11 – Năng lượng IoT 18 Hình 12 – HealthCare IoT 19 Hình 13 – Nông trại thông minh 19 Hình 14 – Chuỗi cung ứng IoT 20 Hình 15 – MCU 21 Hình 16 – STM32 25 Hình 17 – Non-real time, soft real time, hard real time 28 Hình 18 – RTOS 28 Hình 19 – RTOS Kernel Task 29 Hình 20 – Task state 30 Hình 21 – Shceduler 31 ix Nghiên cứu chế tạo IoT DataLogger cho Hệ thống Đèn Giao thơng Hình 80 – Giao diện chương trình vận hành hệ thống 14.3.5 Báo cáo hoạt động Sở Khoa Học Công Nghệ TPHCM 134 Nghiên cứu chế tạo IoT DataLogger cho Hệ thống Đèn Giao thông Hình 81 – Giao diện Báo cáo thống kê 14.3.6 Quản trị người dùng Hình 82 – Giao diện quản lý người dùng 14.3.7 Quản trị trụ/ trạm Hình 83 – Giao diện quản lý trụ/ trạm giao thông Sở Khoa Học Công Nghệ TPHCM 135 Nghiên cứu chế tạo IoT DataLogger cho Hệ thống Đèn Giao thông 15.Nội dung 15: Mơ chạy thử nghiệm phịng thí nghiệm - Hệ thống tích hợp kiểm nghiệm: kết nối tồn hệ thống: DataLogger, mạch cơng suất, hệ đèn giả lập - Mơi trường thử nghiệm: o Phịng thí nghiệm o Nhiệt độ phịng: 28 độ C - Kịch testing: Test case Mô tả thực Số lần test/ tháng Kiểm chứng việc cập Kiểm tra đối chiếu kịch 30 lần nhật trạng thái trụ chạy trụ 100% pass trạm lên server trạm với kịch thể web dashboard Kiểm chứng hoạt Kiểm tra đối chiếu trụ 30 lần động tự động theo trạm có hoạt động 100% pass script theo lịch xây dựng (đồng server trụ trạm Kiểm chứng đồng Chỉnh sửa script 30 lần 100% pass script từ trụ lên trụ server Kiểm tra đối chiếu thông tin trụ/ trạm server Kiểm chứng đồng Chỉnh sửa script 30 lần 100% pass từ server xuống trụ/ server trạm Kiểm tra đối chiếu thông tin trụ/ trạm server Sở Khoa Học Công Nghệ TPHCM 136 Nghiên cứu chế tạo IoT DataLogger cho Hệ thống Đèn Giao thông 16.Nội dung 16: Mô chạy thử nghiệm sa bàn Hệ thống mơ hình thử nghiệm phịng lab mặt vận hành hoạt động hồn tồn giống với mơi trường thực tế khía cạnh sau: - Đầy đủ chế độ hoạt động phiên triển khai thực tế (bằng tay, tự động (kịch bản)) - Cùng chế độ giao tiếp môi trường giao tiếp Điểm khác biệt môi trường thử nghiệm với môi trường triển khai thực tế - Hệ đèn hệ đèn đơn giản, công suất thấp không mô tả công suất hệ đèn thực tế - Nhiệt độ điều kiện môi trường: phịng thí nghiệm dạng sa bàn, nên khơng thể mơi trường tủ điều khiển kín đặt ngồi mơi trường nắng/ mưa 16.1 Mơ hình sa bàn Hình 84 – Mơ hình sa bàn 16.2 Kịch kiểm nghiệm mơ hình Sở Khoa Học Cơng Nghệ TPHCM 137 Nghiên cứu chế tạo IoT DataLogger cho Hệ thống Đèn Giao thông Thực kiểm nghiệm đầy đủ kịch triển khai thực tế: - Chế độ tay - Chế độ tự động - Lập lịch kịch  Thời gian để thử nghiệm: tháng liên tục chạy theo kịch bản, có chỉnh sửa cập nhật lịch kịch ngày Test case Mô tả thực Kiểm chứng việc cập nhật trạng Kiểm tra đối chiếu kịch chạy trụ trạm với kịch thái trụ trạm lên server thể web dashboard Kiểm chứng hoạt động tự động Kiểm tra đối chiếu trụ trạm có hoạt động theo lịch xây theo script dựng (đồng server trụ trạm Kiểm chứng đồng script từ Chỉnh sửa script trụ Kiểm tra đối chiếu thông tin trụ lên server trụ/ trạm server Kiểm chứng đồng từ server Chỉnh sửa script server Kiểm tra đối chiếu thông tin xuống trụ/ trạm trụ/ trạm server 17.Nội dung 17: Lắp đặt chạy thử nghiệm cột giao thông Đại học Quốc gia TP.HCM 17.1 Vị trí đặc điểm kiểm nghiệm thực tế Nhóm đề tài sau q trình khảo sát điểm trụ/ trạm giao thông khu vực Đại Học Quốc Gia TP.HCM, nhóm chọn điểm giao thông Đường Võ Trường Toản Đường Trục Chính Sở Khoa Học Cơng Nghệ TPHCM 138 Nghiên cứu chế tạo IoT DataLogger cho Hệ thống Đèn Giao thơng Hình 85 – Bản đồ vị trí lắp đặt triển khai thí điểm Điểm giao thông lựa chọn để triển khai thử nghiệm có đặc điểm sau: - Là ngã tư đường, đảm bảo có tuyến đường để áp dụng hệ thống Hình 86 – Hình chụp ngã tư đường điểm triển khai Sở Khoa Học Công Nghệ TPHCM 139 Nghiên cứu chế tạo IoT DataLogger cho Hệ thống Đèn Giao thông - Là điểm giao thông mà hệ điều khiển bị hư/ hỏng cần thay thể sửa chữa Hình 87 – Hiện trạng mạch cơng śt relay cũ trụ/ trạm giao thông - Là điểm giao thông có lưu lượng xe vừa phải 17.2 Kịch lắp đặt thử nghiệm Nhóm đề tài tiến hành triển khai thử nghiệm sau: Sở Khoa Học Công Nghệ TPHCM 140 Nghiên cứu chế tạo IoT DataLogger cho Hệ thống Đèn Giao thông - Khảo sát: khảo sát để lựa chọn điểm giao thông phù hợp với việc thử nghiệm, giảm thiểu rủi ro (nếu có) hệ thống mang lại tình lỗi (mục lựa chọn vị trí thử nghiệm) - Tiến hành khảo sát hệ thống có trụ/ trạm giao thơng: hệ thống điều khiển Hình 88 – Hiện trạng sau thay mạch công suất relay mới Sở Khoa Học Công Nghệ TPHCM 141 Nghiên cứu chế tạo IoT DataLogger cho Hệ thống Đèn Giao thông - Tiến hành thay thế/ nâng cấp điều khiển hệ sản phẩm đề tài Hình 89 – Hiện trạng sau lắp đặt DataLogger vào tủ trụ/ trạm giao thông - Áp trụ/ trạm lên hệ thống quản lý từ xa - Tiến hành kiểm tra hoạt động sau lắp đặt o Kiểm tra vận hành tay: Sở Khoa Học Công Nghệ TPHCM 142 Nghiên cứu chế tạo IoT DataLogger cho Hệ thống Đèn Giao thông  Thao tác thử nghiệm liên tục 30 phút  Chuyển trạng thái tuyến trung bình 30s  Lỗi xảy ra: o Kiểm tra vận hành theo chương trình:  Thao tác thử nghiệm: liên tục tiếng  Chạy chương trình cài đặt sẵn để kiểm tra tính đắn chuyển chương trình  Lỗi xảy ra: o Kiểm tra cập nhật kịch chương trình  Kiểm tra chiều cập nhật: từ client phần cứng lên máy chủ từ máy chủ server xuống client  Số lần thực hiện: lần (2 lần / hướng đồng bộ)  Lỗi xảy ra: - Vận hành theo dõi từ xa thời gian dài: sau kiểm tra vận hành trực tiếp, nhóm đóng gói hệ thống cho hệ thống vận hành, đồng thời theo dõi tín hiệu từ xa để kiểm sốt q trình thử nghiệm liên tục Hình 90 – Thơng tin kiểm nghiệm web trụ/ trạm triển khai 17.3 Kịch chạy thực tế Sở Khoa Học Công Nghệ TPHCM 143 Nghiên cứu chế tạo IoT DataLogger cho Hệ thống Đèn Giao thơng Bộ kịch chương trình chạy thực tế điểm thử nghiệm sau: Hình 91 – Bảng chương trình ngày thường trụ/ trạm triển khai Sở Khoa Học Công Nghệ TPHCM 144 Nghiên cứu chế tạo IoT DataLogger cho Hệ thống Đèn Giao thơng Hình 92 – Bảng chương trình ngày Chủ Nhật trụ/ trạm triển khai Sở Khoa Học Công Nghệ TPHCM 145 Nghiên cứu chế tạo IoT DataLogger cho Hệ thống Đèn Giao thơng Hình 93 – Giao diện chỉnh sửa chương trình 17.4 Đánh giá kiểm nghiệm Sau trình thử nghiệm, đánh giá, theo dõi từ xa hệ thống hoạt động (tính đến thời điểm báo cáo), hệ thống triển khai thử nghiệm có kết sau: - Hoạt động đúng, ổn định chương trình/ kịch mong muốn - Đảm bảo tín hiệu đồng liệu ổn định lên server máy chủ thường xuyên, không liệu CHƯƠNG 2: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Quá trình nghiên cứu, tìm hiểu thực mơ-đun đề tài đúc kết kết sau: Sở Khoa Học Công Nghệ TPHCM 146 Nghiên cứu chế tạo IoT DataLogger cho Hệ thống Đèn Giao thông  Khảo sát mơ hình, cơng nghệ liên quan, phân tích ưu, nhược điểm mơ hình cơng nghệ  Nắm vững ngun lý hoạt động hệ thống đèn giao thông  Thiết kế xây dựng sa bàn thực nghiệm mơ hình cải tiến đạt chức hệ thống đèn giao thông tồn tại, nâng cấp khả lập trình kịch bản, thu thập thông tin máy chủ, tạo tiền đề cho trình khả cấu hình, cập nhật kịch hoạt động từ xa  Hệ thống tạo tiền đề/ sở để phát triển cách vững để nâng cấp hệ thống giao thơng thành phố khía cạnh người tham gia giao thông nhà quản lý tình trạng giao thơng thị  Hệ thống hoạt động ổn định theo yêu cầu đặt ra, triển khai thực tế điều kiện môi trường triển khai thực, không phát sinh lỗi Kiến nghị  Cần thêm góp ý người dùng để hồn thiện giao diện người dùng đầu cuối theo mong muốn nhu cầu cụ thể dựa lõi công nghệ đề tài  Mong muốn triển khai thí điểm, thực tế để áp dụng kết đề tài vào thực tế theo lộ trình cụ thể kết hợp với quan quản lý giao thông LINK DEMO HỆ THỐNG http://dgt.envihcm.com/ account: demo pass: 123456 TÀI LIỆU THAM KHẢO Klaus Schwab, The Fourth Industrial Revolution, Crown Business, ISBN: 9781524758868 Andreja Rojko Industry 4.0 Concept: Background and Overview 2017 Dragan Vuksanovic, Jelena Ugarak, Davor Korcok Chương “Phổi” Industry 4.0: The future concept and new visions of factory of the future development 2016 Sở Khoa Học Công Nghệ TPHCM 147 Nghiên cứu chế tạo IoT DataLogger cho Hệ thống Đèn Giao thông https://www.fierceelectronics.com/components/iiot-and-industry-4-0-basics-you-need-toknow, 25/11/2020 https://www.spotlightmetal.com/iot-basics-what-does-industry-40-mean-a-842216/, 25/11/2020 https://www.epicor.com/en-ae/resource-center/articles/what-is-industry-4-0/, 25/11/2020 https://www.tutorialspoint.com/industry-4-0-the-changing-face-of-manufacturing, 25/11/2020 https://www.zdnet.com/article/what-is-the-internet-of-things-everything-you-need-toknow-about-the-iot-right-now/, 26/11/2020 https://internetofthingsagenda.techtarget.com/definition/Internet-of-Things-IoT, 26/11/2020 10 https://bkaii.com.vn/tin-tuc/222-10-ung-dung-the-gioi-thuc-cua-internet-of-things, 27/11/2020 11 http://dvms.vn/san-pham/27-tin-tuc/tin-nganh/245-iot-la-gi-ung-dung-cua-iot-trong-cuocsong-hien-dai.html, 27/11/2020 12 https://niithanoi.vn/chi-tiet-tin/1768/ung-dung-iot-%7C-10-ung-dung-internet-of-thingshang-dau.html#.XrnNkWgzbIU, 27/11/2020 13 https://www.newbiehack.com/MicrocontrollerTutorial.aspx, 28/11/2020 14 http://arduino.vn/bai-viet/1073-lich-su-phat-trien-cua-vi-dieu-khien-va-vi-xu-li, 28/11/2020 15 http://arduino.vn/bai-viet/1071-su-khac-biet-giua-vi-xu-ly-va-vi-dieu-khien, 29/4/2020 16 https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32-32-bit-arm-cortexmcus.html, 29/11/2020 17 QCVN 12:2015/BTTTT, QCVN 86:2015/BTTTT, QCVN 101:2016/BTTTT Sở Khoa Học Công Nghệ TPHCM 148