TÌM HIỂU CHUNG VỀ GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH VÀ VẤN ĐỀ QUẢN LÝ, GIÁM SÁT XE TRONG CÁC DOANH NGHIỆP XÂY DỰNG HIỆN NAY
Tìm hiểu chung về Giám sát hành trình
Lịch sử ra đời của thiết bị giám sát hành trình
Thiết bị giám sát hành trình, hay còn gọi là Tachograph, đã có lịch sử phát triển hơn 100 năm và trở nên quen thuộc với người dùng hiện đại Từ "Tachograph" được ghép từ hai từ Hy Lạp: “Tachos” có nghĩa là tốc độ và “Graphein” có nghĩa là ghi chép, từ đó mở rộng ý nghĩa để chỉ thiết bị giám sát hành trình.
Hình 1.1 Analog Tachograph thời đầu [1]
Tachograph analog đời đầu bao gồm hai phần chính: phần hiển thị thông số (Analog Tachograph Face) và phần ghi dữ liệu (Analog Tachograph Chart), như được mô tả trong Hình 1.2 và Hình 1.3.
Hình 1.2 Analog Tachograph Face [1]
Hình 1.3 Analog Tachograph Chart [1]
Cha đẻ của thiết bị giám sát hành trình là Max Maria von Weber (1822 -
Vào năm 1835, kỹ sư người Đức đã hoàn thiện thiết kế và lắp đặt thiết bị giám sát hành trình đầu tiên trên tàu hỏa Tuy nhiên, vào thời điểm đó, thiết bị này vẫn ghi nhận thông tin một cách hạn chế, không đáp ứng được nhu cầu của đại chúng.
Từ năm 1902 đến 1920, thiết bị giám sát hành trình đã có những thay đổi đáng kể, cho phép ghi lại thông tin cơ bản về lái xe và phương tiện, xác nhận vị trí, quãng đường và vận tốc xe chạy Sự ra đời của thiết bị giám sát hành trình ô tô đã đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và giám sát các doanh nghiệp kinh doanh vận tải.
Vào năm 1985, các nước thành viên Liên hiệp châu Âu (EU) đã yêu cầu lắp đặt thiết bị giám sát hành trình để tối đa hóa lợi nhuận cho doanh nghiệp vận tải Điều này cho thấy sự nhận thức sớm về vai trò quan trọng của thiết bị này Qua nhiều lần cải tiến, thiết bị đã phát triển thành sản phẩm tích hợp nhiều tính năng hiện đại.
Vào ngày 8/3/2011, Bộ Giao thông vận tải Việt Nam đã ban hành Thông tư số 08/2011/TT-BGTVT, công bố Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về thiết bị giám sát hành trình của ô tô, mã số QCVN 31:2011/BGTVT Theo quy định, từ ngày 01/07/2012, tất cả các xe ô tô phải được gắn thiết bị giám sát hành trình Trong gần 10 năm qua, nhiều mẫu thiết bị giám sát hành trình đã được đưa ra thị trường, bao gồm sản phẩm từ các công ty lớn như Viettel và Vcomsat Tất cả các sản phẩm này đều phải đáp ứng các chức năng cơ bản của thiết bị giám sát hành trình.
Tính năng ghi và lưu trữ liên tục cung cấp thông tin chi tiết về xe và lái xe, bao gồm hành trình, tốc độ, số lần dừng đỗ và thời gian làm việc của lái xe.
- Tính năng gửi dữ liệu lên máy chủ thông qua Internet
Thiết bị giám sát hành trình có khả năng tự kiểm tra các tín hiệu báo trạng thái hoạt động như sóng GSM, GPS, kết nối với máy chủ và tình trạng bộ nhớ Ngoài những thông tin cơ bản này, thiết bị có thể được bổ sung thêm các chức năng quản lý khác tùy thuộc vào yêu cầu của doanh nghiệp vận tải Dưới đây là hình ảnh một số thiết bị giám sát hành trình hiện có trên thị trường.
Hình 1.4 Thiết bị giám sát hành trình của Viettel [2]
Hình 1.5 Thiết bị giám sát hành trình của VCOMSAT [2]
Cấu tạo chung của một thiết bị giám sát hành trình
Thiết bị giám sát hành trình, thường được gọi là hộp đen, là một thiết bị hoàn chỉnh với cấu trúc bao gồm các bộ phận chính.
Bộ xử lý trung tâm đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và xử lý dữ liệu, đồng thời điều khiển mọi hoạt động của thiết bị Các bộ vi điều khiển 8/16/32 bit được sử dụng rộng rãi, trong đó vi điều khiển lõi ARM 32 bit hiện đang phổ biến nhất.
Bộ phận lưu trữ thông tin đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ các dữ liệu thu thập được trong quá trình vận hành thiết bị, phục vụ cho mục đích sử dụng trong tương lai Các thông tin được lưu trữ bao gồm thông tin về lái xe, thông tin của xe, thời gian vận hành và kết thúc phiên làm việc, hành trình của xe, cũng như tốc độ của xe Hiện nay, các phương pháp lưu trữ phổ biến bao gồm thẻ nhớ SDCard và chip nhớ Flash.
- Bộ phận GPS: Nhiệm vụ là xác định vị trí ( Kinh độ, vĩ độ) và vận tốc di chuyển của xe
Bộ phận 2G/3G/4G có nhiệm vụ thiết lập kết nối TCP/IP qua hệ thống mạng 2G/3G/4G, cho phép thiết bị và máy chủ giao tiếp và trao đổi dữ liệu liên tục trong suốt quá trình hoạt động.
- Bộ phận nhận diện lái xe: Nhiệm vụ là xác định thông tin lái xe thông qua RFID hoặc Camera
- Bộ phận truyền thông RS232/485: phục vụ việc truy xuất dữ liệu được lưu trữ ngay tại thiết bị
Để thiết bị hoạt động hiệu quả, cần có các thành phần quan trọng như khối cung cấp nguồn điện, khối nhận dữ liệu từ cảm biến và khối đầu ra để điều khiển các cơ cấu chấp hành.
Hình 1.6 là các thành phần của một thiết bị GSHT thông thường trên thị trường hiện nay
Hình 1.6 Các thành phần của một bộ thiết bị GSHT [2]
Lợi ích của việc sử dụng thiết bị giám sát hành trình
Thiết bị giám sát hành trình giúp xác định được chính xác vị trí xe khi đang di chuyển (Hình 1.7):
Nhu cầu theo dõi vị trí xe của chủ xe và quản lý doanh nghiệp ngày càng gia tăng Hầu hết mọi người lắp đặt thiết bị giám sát hành trình để xác định vị trí xe, đặc biệt trong trường hợp cho thuê hoặc mượn xe Điều này giúp chủ xe nhanh chóng phát hiện vị trí xe khi bị đánh cắp, từ đó báo cáo cơ quan chức năng để hỗ trợ tìm kiếm hiệu quả hơn.
Hình 1.7 Lắp thiết bị GSHT để theo dõi phương tiện [2]
Thiết bị giám sát hành trình giúp doanh nghiệp vận tải và cá nhân tiết kiệm thời gian bằng cách cho phép theo dõi vị trí xe qua màn hình giám sát trên máy tính, thay vì phải gọi điện cho lái xe Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả công việc mà còn giảm thiểu nhân sự và các chi phí phát sinh cho cả cá nhân và doanh nghiệp.
Thi ế t b ị giám sát hành trình ki ể m soát tr ạ ng thái ho ạ t độ ng c ủ a xe:
Vấn đề quản lý, giám sát xe trong cách doanh nghiệp xây dựng
Giai đoạn 2010-2016, số lượng doanh nghiệp xây dựng tại Việt Nam tăng trưởng trung bình 7,3% mỗi năm, phản ánh sự phát triển mạnh mẽ của ngành này Sự gia tăng doanh nghiệp diễn ra ở hầu hết các địa phương trên cả nước, mặc dù khu vực doanh nghiệp nhà nước có xu hướng giảm do chính sách cổ phần hóa.
Theo Tổng điều tra kinh tế năm 2017, tính đến ngày 31/12/2016, cả nước có 65.306 doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực xây dựng, chiếm khoảng 13% tổng số doanh nghiệp đang hoạt động, tăng 1,5 lần so với năm 2010.
Hình 1.9 Số lượng doanh nghiệp tại thời điểm 31/12 hàng năm [3]
Theo Tổng cục Thống kê, năm 2018 ghi nhận 16.735 doanh nghiệp xây dựng mới, chiếm 12,7% tổng số doanh nghiệp mới thành lập, tăng 4,4% so với năm trước Tuy nhiên, nhiều doanh nghiệp xây dựng, đặc biệt là các doanh nghiệp vừa và nhỏ, vẫn duy trì phương pháp hoạt động truyền thống và chưa áp dụng công nghệ trong quản lý, giám sát và vận hành Việc quản lý hệ thống xe công trình chủ yếu dựa vào con người trực tiếp tại hiện trường, điều này dẫn đến những ưu điểm và nhược điểm riêng trong quá trình vận hành.
Phương pháp truyền thống này đã được áp dụng lâu dài và dễ dàng thực hiện, rất phù hợp cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ với số lượng xe công trình ít.
Nhược điểm của việc sử dụng con người trực tiếp để quản lý và giám sát tại hiện trường là tính minh bạch và chính xác của thông tin không được đảm bảo Hơn nữa, khi doanh nghiệp mở rộng với số lượng xe công trình lớn, việc kiểm soát và quản lý sẽ trở nên khó khăn hơn.
Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, việc ứng dụng công nghệ vào quản lý và giám sát hoạt động của doanh nghiệp xây dựng trở nên cần thiết Việc xây dựng hệ thống quản lý và giám sát máy công trình giúp thu thập thông tin một cách chính xác và đầy đủ Chủ doanh nghiệp có thể theo dõi và giám sát từ xa, từ đó đưa ra quyết định phù hợp Máy móc và xe công trình có thể được phân loại theo mục đích sử dụng, với một số loại phổ biến được minh họa trong hình ảnh kèm theo.
Hình 1.10 Một số loại máy và xe công trình phổ biến [3]
Các loại xe công trình thường hoạt động tại các công trường, tiếp xúc trực tiếp với môi trường bên ngoài trong thời gian dài, tạo ra một môi trường làm việc đặc thù Do đó, việc sử dụng thiết bị giám sát hành trình thông thường của ô tô cho xe công trình là không hợp lý.
- Môi trường làm việc khắc nghiệt, yêu cầu thiết bị phải có khả năng vận hành ổn định trong thời gian dài ở môi trường này
Trong lĩnh vực xây dựng, việc quản lý và giám sát lượng tiêu thụ nhiên liệu, đặc biệt là dầu, là vô cùng quan trọng đối với các chủ doanh nghiệp Khác với các phương tiện giao thông thông thường, yêu cầu này không chỉ giúp tối ưu hóa chi phí mà còn đảm bảo hiệu quả hoạt động của dự án.
Hệ thống quản lý giám sát hành trình hiện nay được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau, tuy nhiên, mỗi hãng đều có hệ thống quản lý riêng biệt, gây khó khăn trong việc tích hợp với hệ thống giám sát hiện có của doanh nghiệp.
Hiện nay, thiết bị giám sát hành trình trên thị trường chưa đáp ứng đầy đủ yêu cầu cho việc quản lý và giám sát máy công trình Thực tế, số lượng thiết bị chuyên dụng cho lĩnh vực giám sát máy công trình vẫn còn hạn chế.
Xây dựng giải pháp thiết kế hệ thống
Việc thiết kế thiết bị thu thập dữ liệu hiện trường cho hệ thống quản lý và giám sát máy công trình mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng tối ưu hóa quy trình làm việc, nâng cao hiệu quả giám sát và quản lý, cũng như cải thiện độ chính xác trong việc thu thập thông tin.
- Phù hợp với đặc thù công việc
- Phù hợp với điều kiện môi trường làm việc
- Dễ dàng tích hợp vào hệ thống quản lý riêng của doanh nghiệp
Đồ án này đề xuất giải pháp thiết kế và chế tạo thiết bị trung gian giữa người quản lý và xe công trình, nhằm nâng cao hiệu quả thu thập thông tin tại hiện trường Giải pháp thiết kế sẽ dựa trên thiết bị giám sát hành trình thông thường, được điều chỉnh để phù hợp với đặc thù của xe công trình.
Xây dựng yêu cầu của hệ thống
Dựa trên giải pháp đã trình bày ở mục 1.3, đồ án sẽ nêu ra các yêu cầu thiết kế cho các thành phần quan trọng, bao gồm thiết bị gắn xe, vỏ hộp thiết bị và giao diện người dùng.
* Các yêu cầu đối với Server và Database:
Thiết bị trong đồ án được tích hợp vào hệ thống quản lý theo dõi xe công trình, nhằm nâng cao hiệu quả vận hành cho doanh nghiệp xây dựng Việc thu thập dữ liệu để giám sát máy công trình là một phần quan trọng của hệ thống này Do đó, cần thiết phải có một giao diện web để hiển thị và theo dõi thông tin Tôi đã đưa ra các yêu cầu cụ thể đối với server và giao diện web để đảm bảo tính hiệu quả và khả năng sử dụng.
Giao diện web cần được thiết kế thân thiện và dễ sử dụng, đảm bảo các chức năng cơ bản như hiển thị thông tin từ thiết bị gửi lên, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ, trạng thái hoạt động và vị trí của xe Ngoài ra, cần có khả năng vẽ lại hành trình di chuyển, trích xuất dữ liệu hành trình, quản lý thời gian làm việc của lái xe và cấu hình thiết bị từ server.
- Đối với server, yêu cầu phải có khả năng xử lý được luồng dữ liệu từ nhiều thiết bị gửi lên
Để xây dựng một cơ sở dữ liệu hiệu quả, cần đảm bảo khả năng lưu trữ thông tin về phiên làm việc của lái xe, lộ trình của xe trong ít nhất 30 ngày, cùng với các dữ liệu thu được từ cảm biến mà thiết bị gửi lên.
* Đối với thiết bị gắn xe và vỏ hộp:
Thiết bị phải đáp ứng được các chức năng cơ bản sau:
Xác định tài xế bằng công nghệ RFID giúp ghi lại thời điểm bắt đầu và kết thúc phiên làm việc, từ đó cho phép theo dõi thời gian làm việc liên tục của tài xế một cách chính xác.
- Xác định vị trị của xe thông qua GPS
- Đo tốc độ di chuyển thông qua GPS và qua cảm biến tiệm cận, từ đó xác định được thời gian và quãng đường di chuyển
- Đo thông số về môi trường như nhiệt độ độ ẩm, điện áp làm việc của ắc quy
- Gửi tất cả các thông số đo được lên server
- Cho phép cấu hình từ server
- Hiển thị trạng thái làm việc, trạng thái GPS, trạng thái kết nối với server, tình trạng bộ nhớ thông qua màn hình hoặc đèn led
- Lưu trữ các thông số đo được vào bộ nhớ Cho phép trích xuất dữ liệu từ bộ nhớ qua phần mềm của bộ GTVT
Ngoài ra thiết bị phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- Khả năng làm việc ổn định trong thời gian dài ở điều kiện khắc nghiệt (Nhiệt độ và độ ẩm thay đổi; bụi; rung lắc; …)
- Khả năng kết nối ổn định với server
- Khả năng lưu trữ dữ liệu trong thời gian tối thiểu 30 ngày Đối với vỏ hộp, yêu cầu như sau:
- Có kết cấu chắc chắn, phải có khả năng bảo vệ phần mạch bên trong khỏi các tác nhân bên ngoài như nhiệt độ, độ ẩm, bụi, rung lắc
- Khả năng chịu lực cao Không bị nứt vỡ khi chịu ngoại lực mạnh tác động vào
- Khả năng lắp đặt vào xe
* Cách thức hoạt động của thiết bị:
Khi thiết bị được lắp đặt trên xe, nó nhận nguồn từ ắc quy của xe và liên tục đo lường các thông số để gửi lên server, ngay cả khi chưa có tài xế đăng nhập Sau khi tài xế quẹt thẻ RFID để đăng nhập, thiết bị sẽ kiểm tra tính hợp lệ của ID với server; nếu hợp lệ, tài xế sẽ được xác nhận đăng nhập thành công Thiết bị bắt đầu theo dõi thời gian làm việc cho đến khi tài xế quẹt thẻ RFID để đăng xuất, và thông tin về thời gian làm việc cùng với việc đăng xuất sẽ được đồng bộ hóa lên server.
Tần suất gửi thông tin lên server được cấu hình linh hoạt theo từng thời điểm trong ngày Khi xe không di chuyển lâu, tần suất gửi thông tin sẽ giảm và các thiết bị ngoại vi không cần thiết sẽ được tắt để tiết kiệm năng lượng.
Kết luận chương
Trong Chương 1, đồ án khảo sát quản lý và giám sát xe trong các doanh nghiệp xây dựng, phân tích tình hình nghiên cứu và đánh giá ưu, nhược điểm của các hệ thống hiện có trong nước Mục tiêu là đề xuất giải pháp tổng thể cho hệ thống thiết kế Tiếp theo, các yêu cầu cụ thể cho từng phần của hệ thống sẽ được xác định Dựa trên các yêu cầu này, Chương 2 sẽ tìm kiếm các lựa chọn và đưa ra thiết kế phù hợp với bài toán.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Thiết kế tổng thể
Khi thiết kế hệ thống thu thập thông tin hiện trường, tôi dựa trên một hệ thống giám sát hành trình cho xe ô tô thông thường Hệ thống này bao gồm nhiều thiết bị thu thập thông tin được gắn trên các xe cần giám sát tại công trường Từ đó, tôi đưa ra hai phương án thiết kế khác nhau.
Mỗi xe sẽ được trang bị một thiết bị quản lý để thu thập thông tin, cho phép các thiết bị trong xe giao tiếp và truyền dữ liệu về một thiết bị chính, từ đó đẩy thông tin lên server.
Phương án 2 đề xuất gắn thiết bị quản lý độc lập cho mỗi xe, cho phép kết nối chung với server để truyền và nhận dữ liệu, phục vụ cho hệ thống giám sát Khác với phương án 1, yêu cầu các thiết bị phải tuân theo một chuẩn giao tiếp chung như wifi, lora, hay zigbee, điều này dẫn đến hạn chế về phạm vi giao tiếp và cần thêm bộ gateway, làm tăng chi phí và độ trễ Phương án 2, được áp dụng trong đồ án, cho phép thiết bị hoạt động độc lập, nhanh chóng gửi và nhận dữ liệu từ server thông qua mạng GSM/GPRS, mở rộng phạm vi hoạt động ở bất kỳ nơi nào có sóng GSM/GPRS, khắc phục hoàn toàn nhược điểm của phương án đầu tiên Hình 2.1 minh họa sơ đồ chung cho phương án này.
Hệ thống thiết kế được trình bày qua sơ đồ tổng quan, với mô hình kết nối từ các thiết bị gắn xe đến server Giao thức sử dụng dựa trên mô hình bảy tầng OSI, như thể hiện trong Hình 2.2.
Hình 2.2 Mô hình 7 tầng OSI
Trong 7 tầng, em sẽ lựa chọn các giao thức liên quan đến đồ án như sau:
* Lựa chọn giao thức tầng vật lý (Physical Layer):
Như đã trình bày ở trên, đồ án lựa chọn sử dụng mạng GSM/GPRS để truyền nhận dữ liệu với server
Trong đồ án này, chúng tôi đã quyết định sử dụng giao thức TCP ở tầng giao vận để đảm bảo rằng dữ liệu được truyền tải một cách toàn vẹn và đáng tin cậy giữa server và thiết bị.
* Lựa chọn giao thức tầng ứng dụng (Application):
Mặc dù giao thức TCP cho phép kết nối và trao đổi dữ liệu giữa server và thiết bị, nhưng khối lượng công việc sẽ tăng lên do cần xử lý thêm các gói tin ở tầng giao vận, bên cạnh việc xử lý của tầng ứng dụng.
Hiện nay, nhiều giao thức ở tầng ứng dụng như HTTP và MQTT đã được phát triển để hỗ trợ xử lý các gói tin TCP và đang được sử dụng phổ biến.
Do hạn chế về khả năng xử lý của thiết bị phần cứng và băng thông mạng không ổn định, việc đảm bảo kích thước gói tin nhỏ gọn và giao thức tiết kiệm băng thông là rất quan trọng Vì lý do này, giao thức MQTT đã được phát triển và sẽ được lựa chọn cho đồ án này.
Bài viết này tập trung vào việc thiết kế tổng quan và các khối trong thiết bị thu thập thông tin hiện trường, hay còn gọi là thiết bị giám sát máy công trình Hệ thống trong mỗi thiết bị được chia thành các khối, như thể hiện trong Hình 2.3.
Hình 2.3 Sơ đồ thiết kế thiết bị giám sát máy công trình
Chức năng của từng khối được trình bày ngắn gọn như sau:
Khối 1 - Khối nguồn là trái tim của thiết bị, quyết định sự vận hành ổn định của nó Khối này nhận điện áp trực tiếp từ ắc quy xe công trình (12-24-36VDC) và chuyển đổi thành các mức điện áp phù hợp cho các thành phần khác Các mức điện áp bao gồm 12 VDC cho tải bên ngoài, 5VDC cho các thiết bị ngoại vi, 4.2VDC cho khối GSM/GPRS, và 3.3VDC cho các khối còn lại.
Khối 2 – Khối hiển thị và thông báo, giúp người vận hành xe hoặc máy công trình nắm bắt trạng thái hoạt động của thiết bị và nhận thông tin cần thiết Khối này bao gồm hệ thống đèn LED báo trạng thái (Nguồn, GPS, GSM, RFID), màn hình OLED 1.3” và còi buzzer, đảm bảo người dùng luôn được cập nhật kịp thời về tình hình hoạt động của thiết bị.
Khối 3 – Khối Flash/SD Card có nhiệm vụ lưu trữ thông tin giám sát liên tục trong tối thiểu 30 ngày, bao gồm tốc độ và vị trí của xe 24/24 Ngoài ra, khối này còn lưu trữ thông tin về xe, thiết bị và người lái Để thực hiện việc này, em sử dụng thẻ SDcard kết hợp với chip nhớ flash tốc độ cao.
Khối 4 – Khối RFID là hệ thống nhận dạng người lái, sử dụng nhiều công nghệ như thẻ RFID, vân tay, mã QR/mã vạch và mật khẩu cá nhân Sau khi phân tích, tôi chọn thẻ RFID vì tính tiện lợi, dễ sử dụng và độ bảo mật cao Đầu đọc RFID được sử dụng có tần số hoạt động 13.56MHz, tuân thủ quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về thiết bị GSHT.
Khối 5 – Khối MCU được xem là bộ não của thiết bị, chịu trách nhiệm xử lý và tính toán các công việc đã được lập trình Để đáp ứng yêu cầu về tốc độ và khả năng tương tác với các ngoại vi, chip ARM Cortex M3 sẽ là sự lựa chọn tối ưu.
ST, cụ thể là STM32F103RCT6 Lý do lựa chọn và tính toán sẽ được trình bày chi tiết ở phần thiết kế phần cứng
- Khối 6 – Khối cảm biến IN/OUT: Đây là khối phục vụ việc chuẩn hóa, nhận tín hiệu từ các cảm biến để đưa vào MCU
- Khối 7 – Khối RS232/Debug: Khối này nhằm gửi các thông tin phục vụ yêu cầu đọc dữ liệu từ phần mềm phân tích dữ liệu của bộ GTVT
Khối 8 – Khối GSM/GPRS là phần quan trọng trong việc trao đổi dữ liệu giữa thiết bị và server qua mạng GPRS Để thực hiện chức năng này, tôi đã chọn Module SIM800C của SIMCOM, một giải pháp hiệu quả cho việc kết nối và truyền tải thông tin.
Thiết kế sơ đồ nguyên lý
Dựa trên sơ đồ khối tổng thể của hệ thống đã được trình bày, phần này của báo cáo sẽ tập trung vào thiết kế, tính toán và lựa chọn linh kiện cho từng khối cụ thể.
Sau khi hoàn thành sơ đồ khối, đồ án tiếp tục với việc thiết kế sơ đồ nguyên lý Hình 2.5 minh họa các sơ đồ khối phần cứng đã được thiết kế và kết nối chi tiết với nhau.
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý tổng thể thiết bị
Khối nguồn là trái tim của thiết bị, cung cấp năng lượng cho toàn bộ hoạt động và quyết định sự ổn định cũng như độ bền của thiết bị Việc thiết kế khối nguồn cẩn thận là rất quan trọng để đảm bảo thiết bị hoạt động hiệu quả trong thời gian dài Để thiết kế khối nguồn phù hợp, cần xác định mức độ tiêu thụ năng lượng của các thành phần chính trong mạch, thông qua Datasheet của chúng Đối với MCU STM32F103RCT6, mức tiêu thụ năng lượng sẽ được tham khảo từ công cụ STM32CubeMX của STMicroelectronics, cho thấy dòng tiêu thụ của MCU khi tất cả ngoại vi hoạt động khoảng 41mA.
Năng lượng tiêu thụ trung bình của MCU khi tất cả các ngoại vi cần thiết hoạt động đồng thời được thể hiện trong Hình 2.6 Để ước lượng tương đối năng lượng tiêu thụ trung bình của các linh kiện còn lại, tôi đã tham khảo Datasheet từ các nhà cung cấp, và kết quả được trình bày trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Mức độ tiêu thụ năng lượng của các khối chính trong mạch
STT Khối chính Tác vụ tiêu thụ Điện áp sử dụng (V)
1 STM32F103RCT6 Tất cả ngoại vi cần thiết hoạt động đồng thời
2 OLED 1.3” Hiển thị ( Nền đen Chữ trắng, độ sáng từ 31-255)
3 RFID Quét mã thẻ RFID 3.3 ≈ 13 - 26
5 Đèn led, còi Sáng đèn, bật còi 3.3 ≈ 100
6 Sensor Đo nhiệt độ và độ ẩm 3.3 ≈ 2
7 RS232/Debug Truyền, nhận dữ liệu 5 ≈ 10
8 Flash/SDcard Đọc, ghi dữ liệu 3.3 ≈ 100
Module SIM800 có nhiều chế độ hoạt động, dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng khác nhau trong từng chế độ Do đó, cần thiết kế hệ thống nguồn riêng biệt cho module này, tách rời khỏi các thành phần khác của thiết bị Bảng 2.2 trình bày mức tiêu thụ năng lượng của module SIM800 trong các chế độ khác nhau.
Bảng 2.2 Mức tiêu thụ năng lượng của module SIM800
Từ bảng trên ta có thể thấy rằng, có thời điểm module SIM800 có thể tiêu thụ
1 dòng cỡ 2A Do đó cần phải tính toán thiết kế nguồn riêng cho module SIM800 tách biệt với nguồn cho các thành phần còn lại của hệ thống
Theo Bảng 2.1 và Bảng 2.2, nguồn điện tối đa cần cung cấp cho thiết bị là 3A, điều này hoàn toàn khả thi vì thiết bị sử dụng nguồn điện trực tiếp từ ắc quy xe Đặc biệt, dòng 2A mà module SIM800 yêu cầu chỉ trong thời gian rất ngắn khoảng μs Do đó, tôi sẽ thiết kế một mạch nguồn Buck khoảng 3.5A riêng cho module SIM800, trong khi các thành phần khác của hệ thống sẽ được cấp nguồn qua các mạch LDO riêng biệt với dòng điện phù hợp.
Điện áp cung cấp cho thiết bị từ ắc quy xe có dải từ 12V-36VDC, cần có hệ thống bảo vệ để tránh hư hại do xung điện cao áp khi khởi động hoặc tắt máy Hệ thống bảo vệ bao gồm khối bảo vệ quá áp/quá dòng, bảo vệ chống ngược cực và lọc điện áp đầu vào Cầu chì F1 (tự phục hồi) loại 40V-3.5A được sử dụng để bảo vệ quá áp/quá dòng, trong khi tụ chống sét C3 giúp bảo vệ thiết bị khỏi xung cao áp Diode D1 5A-60V bảo vệ chống ngược cực, và cuộn lọc L1 cùng hai tụ C1, C2 tần số cao được sử dụng để lọc phẳng điện áp vào.
Hình 2.7 Khối bảo vệ, lọc điện áp đầu vào
Chế độ Tần số hoạt động Mức tiêu thụ
2.2.1.1 Thiết kế mạch nguồn Buck cho SIM800 Điện áp VIN sau khối này có thể nói là đã khá đẹp và có thể dùng để cấp cho hệ thống mạch LDO và mạch Buck ở sau Đối với module SIM800, cần thiết kế một mạch Buck riêng Các thông số cơ bản đối với mạch Buck này như sau:
IC nguồn TPS54360 của hãng TI là một lựa chọn lý tưởng nhờ chất lượng cao, giá thành hợp lý và hiệu suất chuyển đổi vượt trội Sản phẩm này rất phù hợp cho các thiết bị yêu cầu tính nhỏ gọn Một số tính năng nổi bật của IC này sẽ được trình bày ngắn gọn trong bài viết.
- Dải điện áp vào rộng: 4.5V-60V
- Dòng liên tục cỡ 3.5A, có thể peak lên 4.5A
- Dòng không tải nhỏ ~ 146uA
- Tự động lock chip khi VIN