Em xin cảm ơn thầyPhạm Quyền Anh đã cho em mượn và sử dụng phòng lab để hoàn thành đồ án này.Qua đây, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Nhà trường đã tạo điềukiện về mọi mặt,
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Tính cấp thiết đề tài
Với sự phát triển không ngừng của khoa học hiện đại, con người đã ngày càng nâng cao hơn đời sống của mình để trở nên hiện đại và tiện nghi hơn Chính từ lý do đó, con người đã có rất nhiều sáng tạo để giúp cải thiện cuộc sống cho bản thân họ và cho toàn xã hội Và xu hướng hàng đầu hiện nay đó chính là XE ĐIỆN, xe điện ngày càng được phổ thông và thương mại hóa Vì vậy, nhu cầu theo dõi và giám sát những chiếc xe của các cá nhân cũng rất được chú trọng
Hiện nay, các quốc gia trên thế giới đang khởi động các cuộc chạy đua về xe điện, những khoản trợ cấp của chính phủ vào việc xây dựng cơ sở hạ tầng, trợ cấp chỗ đậu xe miễn phí , đã tạo điều kiện rất lớn cho các công ty xe điện phát triển và các công ty xe chạy bằng xăng dầu cũng đã chuyển sang sản xuất các dòng xe điện.Tuy nhiên, việc sử dụng xe điện cho thuê hay cho con cái sử dụng thì việc giám sát rất quan trọng Bao gồm các công việc cụ thể như: theo dõi vị trí, tính quảng đường đi, chống trộm, mức phần trăm Pin của xe để biết được khi nào xe cần phải sạc Pin lại hoặc có thể theo dõi mức Pin trong quá trình sạc Vì vậy, em quyết định thực hiện một hệ thống đơn giản để áp dụng lý thuyết đã học vào đề tài thực hiện là: “Hệ thống giám sát xe Điện thông minh”.
Mục tiêu đề tài
Ứng dụng IoT, thiết kế và chế tạo thiết bị “Hệ thống giám sát xe Điện thông minh”.
Cụ thể gồm các chức năng:
- Giám sát chống trộm, báo động tại chỗ hoặc gửi thông tin cảnh báo qua App điện thoại cho người chủ sở hữu.
- Giám sát mức pin, hiển thị mức pin hiện tại, gửi các thông số này và cảnh báo cho người dùng.
- Giám sát vị trí giúp người chủ theo dõi.
- Cảm biến chống trộm, báo động.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Tìm hiểu về cách thức hoạt động, nguyên lý làm việc của Arduino Nano.
- Tìm hiểu về các cảm biến như: module Định Vị GPS NEO-6M, Module GPRS Sim800A, Module cảm biến điện áp
- Nghiên cứu cách thức giao tiếp với các loại cảm biến về GPS, SMS và rung với Arduino Nano.
− Thu thập tài liệu nghiên cứu, bao gồm tài liệu lý thuyết và thực nghiệm Tìm kiếm trên mạng Internet hay xem trên youtube liên quan đến đề tài nói chung và những bộ phận riêng lẻ nói riêng.
− Khảo sát thực tế các yếu tố liên quan đến thực nghiệm như cơ sở vật chất, mặt bằng kỹ thuật và công nghệ, thiết bị sẵn có, linh kiện có mặt trên thị trường.
− Xây dựng mô hình tổng quan về module giao tiếp, từ đó phát triển chi tiết các thuật toán cần sử dụng trong đề tài.
− Thao tác thử nghiệm các thuật toán trực tiếp trên phần cứng để lựa chọn phương pháp phù hợp
− Tìm hiểu từng linh kiện trong đề tài.
− Thiết kế mô hình phần cứng.
− Thi công và làm mạch cứng.
Cách tiếp cận – Phương pháp nghiên cứu
- Tiếp cận từ nhu cầu thực tiễn, nghiên cứu lý thuyết, từ đó đưa ra các giải pháp để giải quyết vấn đề.
- Xây dựng hệ thống cảnh báo và định vị qua tin nhắn thông qua module Sim800A.
- Xây dựng hệ thống cảnh báo mức pin xe điện
- Thiết kế, thi công, kiểm thử kết quả trên các địa điểm khác nhau ( địa điểm ngoài trời và trong tòa nhà ).
- Xây dựng lưu đồ thuật toán, viết chương trình, kiểm thử.
Cấu trúc của báo cáo
Báo cáo gồm có 4 chương:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Trình bày tổng quan về đề tài trình bày về những vấn đề như tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu đề tài, đối tượng và phạm vi nghiên cứu,cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khái quát về GPS
Hệ thống định vị toàn cầu (tiếng Anh: Global Positioning System - GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên các vệ tinh nhân tạo GPS được thiết kế và bảo quản bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, GPS ban đầu chỉ dành cho các mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng dân sự GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24/24h Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS
Từ khi vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978, hoàn chỉnh đầy đủ
24 vệ tinh vào năm 1994, đến nay đã có bốn thế hệ vệ tinh khác nhau Thế hệ đầu tiên là vệ tinh Block I, thế hệ thứ hai là Block II, thế hệ thứ ba là Block IIA và thế hệ gần đây nhất là Block IIR Thế hệ cuối của vệ tinh Block IIR được gọi là BlockIIR-M, và gần đây nhất là vệ tinh khối IIF Những vệ tinh thế hệ sau được trang bị thiết bị hiện đại hơn, có độ tin cậy cao hơn, thời gian hoạt động lâu hơn Cho đến nay có 31 vệ tinh đang hoạt động.
Hình 2.2 Phân loại và số lượng vệ tinh còn hoạt động
2.1.2 Cấu trúc của hệ thống GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS được cấu tạo thành 3 phần :
1 Phần không gian – space segment.
2 Phần điều khiển – control segment.
3 Phần người sử dụng – use segment.
Hình 2.3 Ba phần chính của GPS
Phần không gian của GPS bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo (satellite vehicle) chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo ở độ cao 20200km Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng so với mặt phẳng xích đạo Trái đất một góc 55 độ Vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo gần như tròn đều với chu kỳ 718 phút (12 giờ) Với sự phân bố vệ tinh trên quỹ đạo, như vậy trong suốt thời gian nào và bất kỳ vị trí quan sát nào trên Trái đất cũng có thể quan sát được tối thiểu 4 vệ tinh.
Hình 2.4 Chuyển động của các vệ tinh
Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600kg khi phóng và khoảng 900kg trên quỹ đạo Theo thiết kế, tuổi thọ của vệ tinh khoảng 7,5 năm Năng lượng cung cấp cho hoạt động của thiết bị trên vệ tinh là năng lượng mặt trời.
Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh GPS Phần điều khiển có 5 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau :
- Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục.
- Quy định thời gian hệ thống GPS.
- Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh.
- Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể.
Có một trạm điều khiển chính (Master Control Station) ở Colorado Springs bang Colarado của Mỹ và 4 trạm giám sát (monitor stations) và ba trạm ăng ten mặt đất dùng để cung cấp dữ liệu cho các vệ tinh GPS Gần đây có thêm một trạm phụ ởCape Caủaveral (bang Florida, Mỹ) và một mạng quõn sự phụ (NIMA) được sử dụng để đánh giá đặt tính và dữ liệu thời gian thực
Hình 2.5 Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS 2.1.2.3 Phần người sử dụng
Phần người sử dụng là khu vực có phủ sóng mà người sử dụng dùng ăng ten và máy thu thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thông tin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển Để có thể thu được vị trí, ở phần người sử dụng cần có ăng ten và máy thu GPS (GPS receivers).
2.1.3 Nguyên lí hoạt động của GPS
24 vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất (Thực tế chỉ có
21 vệ tinh hoạt động, còn 3 vệ tinh dự phòng) Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa.Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.
Hình 2.6 Nguyên lí hoạt động hệ thống GPS
Máy thu GPS phải nối được với tín hiệu của ít nhất ba quả vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Với bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.
2.1.4 Ứng dụng hệ thống GPS
Mục đích sử dụng ban đầu của gps dùng trong lĩnh vực quân sự (chế tạo ra các loại tên lửa thông minh), nhưng ngày nay hệ thống GPS ngày càng được ứng dụng rộng rãi.
Dựa vào tính năng chính xác của gps để thiết lập các bản đồ, khảo sát các công trình, tuyến kênh, tuyến đường, xác định vị trí chính xác của các trụ điện,đường dây tải điện, quản lí các tuyến xe… các xe hơi hiện nay đều có xu hướng cài đặt hệ thống dẫn đường ( Navigation).
Qua đó các thông tin về vị trí, tọa độ của xe sẽ được hiển thị ngay trên màn hình, người lái có thể chủ động tìm kiếm và thay đổi lộ trình phù hợp trong thời gian ngắn nhất Một ứng dụng nữa của GPS chính là việc quản lí thú hoang dã bằng cách gắn lên chúng những con chip đã tích hợp GPS. Ứng dụng phổ biến của gps được quan tâm nhất hiện nay chính là việc sử dụng các thiết bị tích hợp GPS cho việc du lịch, thám hiểm Tọa độ và hướng di chuyển sẽ hiển thị rõ trên màn hình Trong trường hợp khẩn cấp, người sử dụng có thể bắn tín hiệu về trung tâm để báo vị trí của mình và chờ giúp đỡ.
Arduino Nano
Arduino Nano là một phiên bản nhỏ gọn của bo mạch Arduino, được phát triển dựa trên vi điều khiển ATmega328P Nó được thiết kế để dễ dàng sử dụng và phù hợp cho các ứng dụng cần kích thước nhỏ, tiết kiệm không gian.
Arduino Nano có chức năng tương tự như Arduino Duemilanove nhưng khác nhau về dạng mạch
Nano được tích hợp vi điều khiển ATmega328P, giống như Arduino UNO.
Sự khác biệt chính giữa chúng là bảng UNO có dạng PDIP (Plastic Dual-In-line Package) với 30 chân còn Nano có sẵn trong TQFP (plastic quad flat pack) với 32 chân
Trong khi UNO có 6 cổng ADC thì Nano có 8 cổng ADC Bảng Nano không có giắc nguồn DC như các bo mạch Arduino khác, mà thay vào đó có cổng mini-USB Cổng này được sử dụng cho cả việc lập trình và bộ giám sát nối tiếp Tính năng hấp dẫn của Arduino Nano là nó sẽ chọn công xuất lớn nhất với hiệu điện thế của nó.
Hình 2.8 Cấu trúc của Arduino Nano
- Tốc độ xung nhịp: 16 MHz
- Bộ nhớ Flash: 32 KB (trong đó 2 KB được sử dụng cho bootloader)
- Điện áp đầu vào (recommened): 7-12V
- Điện áp đầu vào (limit): 6-20V
- Dòng điện DC cho chân 3.3V: 50 mA
- Dòng điện DC cho chân 5V: 200 mA
- Chân số lượng: 30 chân digital I/O (bao gồm 14 chân PWM)
- Chân UART: 1 chân (TX/RX)
Hình 2.9 GPIO của Arduino Nano
- Vin: Đây là điện áp đầu vào được cung cấp cho board mạch Arduino Khác với 5V được cung cấp qua cổng USB Pin này được sử dụng để cung cấp điện áp toàn mạch thông qua jack nguồn, thông thường khoảng 7-12VDC.
- 5V: Chân 5V được sử dụng để cung cấp điện áp đầu ra Arduino được cấp nguồn bằng ba cách đó là USB, chân Vin của bo mạch hoặc giắc nguồn DC.
- GND: Chân mass chung cho toàn mạch Arduino.
- Reset: Chân reset để thiết lập lại về ban đầu.
- Chân RX và TX: RX (chân 0) và TX (chân 1) được sử dụng cho giao tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter).
- Digital IO (D2-D13): Các chân digital IO này có thể được sử dụng cho đầu vào và đầu ra kĩ thuật số Các chân D3, D5, D9, D10 và D11 cũng có thể sử dụng cho đầu ra PWM.
- Analog input (A0-A7): Các chân này có thể được sử dụng để đọc giá trị tín hiệu analog.
- SCL (Chân A5): Đây là chân clock tín hiệu I2C.
- SDA (Chân A4): Đây là chân dữ liệu của tín hiệu I2C.
- MOSI (Chân 11): Đây là chân dữ liệu tín hiệu SPI MOSI.
- MISO (Chân 12): Đây là chân dữ liệu tín hiệu SPI MISO.
- SCK (Chân 13): Đây là chân Clock tín hiệu SPI.
Arduino Nano có một nguồn cung cấp điện chính và một số nguồn khác có thể được sử dụng.
- Nguồn cung cấp chính (Main Power): Arduino Nano có thể được cấp nguồn từ một nguồn cung cấp ngoại vi hoặc từ cổng USB trực tiếp.
- Nếu sử dụng nguồn cung cấp ngoại vi, có thể kết nối nguồn vào chân Vin hoặc chân 5V trên Arduino Nano Chân Vin có thể chấp nhận điện áp từ 7V đến 12V, trong khi chân 5V yêu cầu nguồn cung cấp 5V cố định.
- Nguồn cung cấp qua cổng USB: Arduino Nano có thể được cấp nguồn thông qua cổng USB tích hợp trên module Khi kết nối Arduino Nano với máy tính hoặc bất kỳ nguồn cung cấp USB nào, nó sẽ nhận nguồn điện từ đó.
- Nguồn cung cấp qua pin RAW: Pin RAW trên Arduino Nano có thể được sử dụng để cấp nguồn từ một nguồn cung cấp ngoại vi Nguồn cung cấp qua pinRAW cần có điện áp từ 7V đến 12V.
2.2.3 Phần mềm Đây là một phần mềm Arduino chính thức Nó có các phiên bản cho các hệ điều hành như MAC, Windows, Linux và chạy trên nền tảng Java đi kèm với các chức năng và lệnh có sẵn đóng vai trò quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa và biên dịch mã trong môi trường.
Arduino là một phần mềm mã nguồn mở chủ yếu được sử dụng để viết và biên dịch mã vào module Arduino dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, , các ngoại vi trên bo mạch đều đã được chuẩn hóa, nên có thể dễ dàng tiếp cận được Thêm nữa, vì Arduino là một platform đã được chuẩn hóa, nên đã có rất nhiều các bo mạch mở rộng (gọi là shield) để cắm chồng lên bo mạch Arduino, có thể hình dung nôm na là "library" của các ngôn ngữ lập trình Ví dụ, muốn kết nối Internet thì có Ethernet shield, muốn điều khiển động cơ thì có Motor shield, muốn kết nối nhận tin nhắn thì có GSM shield, Rất đơn giản, và ta chỉ phải tập trung vào việc "lắp ghép" các thành phần này và sáng tạo ra các ứng dụng cần thiết. Đây là một phần mềm Arduino chính thức Nó có các phiên bản cho các hệ điều hành như MAC, Windows, Linux và chạy trên nền tảng Java đi kèm với các chức năng và lệnh có sẵn đóng vai trò quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa và biên dịch mã trong môi trường.
- Bao gồm các nút lệnh menu (File, Edit, Sketch, Tools, Help) Phía dưới là các icon cho phép sử dụng nhanh các chức năng thường dùng của IDE được miêu tả như sau:
Hình 2.10 Vùng lệnh phần mềm Arduino
Hướng dẫn nạp code trên arduino
Bước 1 Khởi động arduino IDE
-Khởi động Arduino IDE Vào Tool/Chọn Board mà bạn đang sử dụng Ở đây mình demo trên ESP8266
Hình 2.11 Chọn board sử dụng
Bước 2 Chọn COM hiển thị trên máy tính của bạn (ở đây mình chọn COM4)
Hình 2.12 Chọn cổng kết nối
Bước 3 Sau khi đã thiết lập xong, tiến hành nạp chương trình, ta chọnFile/Examples/Basics/Blink.
Chương trình nạp thành công
Hình 2.15 Chương trình đã nạp thành công
Module và linh kiện
2.3.1 Module định vị GPS GY NEO-6M
Hình 2.16 Module định vị NEO-6M
GPS NEO-6M là module định vị toàn cầu sử dụng hệ thống vệ tinh GPS Với hiệu suất bắt sóng cao kèm theo 1 anten GPS gốm cho tốc độ xác định vị trí nhanh và chính xác, module có tích hợp sẵn EEPROM, tất cả thông các thông tin cấu hình có thể được lưu trữ trong EEPROM Trên mạch có tích hợp 1 pin dự phòng, khi nguồn chính ngắt, pin dự phòng có thể duy trì trong 30 phút cho dữ liệu GPS được lưu trữ
- Hỗ trợ GPS-QZSS-GLONASS
- Anten rời hoặc dán trực tiếp lên mạch
- Chu kỳ cập nhật tọa độ 0,1 s đến 1s tùy từng địa hình có thuận lợi hay không.
- Phần mềm hỗ trợ với rất nhiều tính năng được Ublox cho tải miễn phí.
Module SIM800A GSM / GPRS là một module GSM thu nhỏ, có thể được tích hợp vào các dự án IoT khác nhau Có thể sử dụng module này để thực hiện hầu bản SMS, thực hiện hoặc nhận các cuộc gọi điện thoại, kết nối với internet thông qua GPRS (2G), TCP / IP, … Trên hết, Module SIM800A hỗ trợ mạng GSM / GPRS bốn băng tần, có nghĩa là nó hoạt động được ở nhiều loại mạng khác nhau ở các quốc gia khác nhau trên thế giới.
Mô-đun tích hợp nguồn xung và IC đệm được thiết kế nhỏ gọn nhưng vẫn giữ được các yếu tố cần thiết của thiết kế như: mạch chuyển mức tín hiệu logic sử dụng Mosfet, IC giao tiếp RS232 MAX232, mạch nguồn xung dòng cao, khe sim chuẩn và các đèn led báo hiệu.
- Sử dụng module GSM GPRS Sim800A
- Nguồn cấp đầu vào: 5 – 18VDC, lớn hơn 1A
- Mức tín hiệu giao tiếp: TTL (3.3-5VDC) hoặc RS232
- Tích hợp chuyển mức tín hiệu TTL Mosfet tốc độ cao
- Tích hợp IC chuyển mức tín hiệu RS232 MAX23
- Tích hợp nguồn xung với dòng cao cung cấp cho Sim800A
- Sử dụng khe Nano Sim, chống nhiễu
- Thiết kế mạch nhỏ gọn, bền bỉ, chống nhiễu
Hình 2.18 Sơ đồ chân Module SIM800A
- PWR: chân khởi động module SIM, mặc định kéo trở xuống GND (module sẽ tự khởi động khi cấp nguồn), thường không sử dụng.
- DTR: chân tín hiệu DTR module SIM.
- RI: chân tín hiệu RI module SIM.
- RES: chân tín hiệu Reset module SIM.
- S+: Ngõ ra loa Speaker âm
- S-: Ngõ ra loa Speaker dương
- T_232: Chân nhận tín hiệu RS232 TX.
- R_232: Chân truyền tín hiệu RS232 RX.
- V_MCU: chân cấp mức tín hiệu Logic cho mạch chuyển mức tín hiệu TX/RX, cấp nguồn theo mức tín hiệu TTL của MCU điều khiển tương ứng (VĐK sử dụng 3.3VDC cấp 3.3VDC, sử dụng 5VDC cấp 5VDC).
- RXD: Chân nhận tín hiệu UART RX TTL 3.3~5VDC.
- TXD: Chân truyền tín hiệu UART TX TTL 3.3~5VDC.
- VCC_IN: Nguồn dương từ 5~1 8VDC, lớn hơn 1.5A (tốt nhất khi sử dụng ở 9VDC/2A)
- EN: Mặc định nối lên cao, chức năng dùng để khởi động (Enable) hoặc dừng hoạt động (Disable) Module SIM, nếu nếu muốn Module SIM dừng hoạt động bạn có thể nối chân này xuống âm GND (0VDC), thường không sử dụng.
- BAT: chân cấp nguồn trực tiếp cho Module SIM, không sử dụng chân này nếu không thực sự cần thiết vì dễ làm cháy module SIM.
2.3.2.3 Các tệp lệnh của Module Sim800A
Mô tả : Kiểm tra đáp ứng của Module Sim 800A, nếu trả về OK thì Module hoạt động
Mô tả: Chế độ echo là chế độ phản hồi dữ liệu truyền đến của module Sim
800A, x = 1 bật chế độ echo , x = 0 tắt chế độ echo (bạn nên tắt chế độ này khi giao tiếp với vi điều khiển)
- Lệnh: AT+IPR=[baud rate]
Mô tả: cài đặt tốc độ giao tiếp dữ liệu với Module Sim800A, chỉ cài được các tốc độ sau baud rate : 0 (auto), 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200
Mô tả : lưu lại các lệnh đã cài đặt
Các lệnh điều khiển cuộc gọi
- Lệnh: AT+CLIP=1
Mô tả : Hiển thị thông tin cuộc gọi đến
- Lệnh: ATD[Số_điện_thoại];
Mô tả : Lệnh thực hiện cuộc gọi
Mô tả : Lệnh thực hiện kết thúc cuộc gọi , hoặc cúp máy khi có cuộc gọi đến
Mô tả : Lệnh thực hiện chấp nhận khi có cuộc gọi đến
Các lệnh điều khiển tin nhắn
- Lệnh: AT+CMGF=1
Mô tả : Lệnh đưa SMS về chế độ Text , phải có lệnh này mới gửi nhận tin nhắn dạng Text
- Lệnh: AT+CMGS=”Số_điện _thoại” Đợi đến khi có ký tự ‘>’ được gửi về thì đánh nối dung tin nhắn Gửi mã Ctrl+Z hay 0x1A để kết thúc nội dung và gửi tin nhắn
Mô tả : Lệnh gửi tin nhắn
- Lệnh: AT+CMGR=x x là địa chỉ tin nhắn cần đọc
Mô tả : Đọc một nhắn vừa gửi đến, lệnh được trả về nội dung tin nhắn, thông tin người gửi, thời gian gửi
- Lệnh: AT+CMGDA="DEL ALL"
Mô tả : Xóa toàn bộ tin nhắn trong các hộp thư
- Lệnh: AT+CNMI=2,2
Mô tả :Hiển thị nội dung tin nhắn ngay khi có tin nhắn đến
Cảm biến SW420 có khả năng cảm nhận và đo được các rung động của một thiết bị nào đó một cách hiệu quả và tối ưu Nó được dùng nhiều cho các thiết bị chống trộm hoặc các thành phần cần đo độ ẩm cảm ứng rung động hoặc độ sốc.
SW-420 là một trong những cảm biến được sử dụng phổ biến nhất để phát hiện rung động hoặc độ nghiêng ở một ngưỡng xác định Module này bao gồm cảm biến rung động SW-420 và bộ khuếch đại thuật toán LM393, cho ra mức tín hiệu số 1-0 Đầu ra của Module ở mức thấp khi không có rung động Tương thích với Arduino, Raspberry Pi, các họ VĐK PIC, Atmel, 8051, …
Các loại chân: VCC, GND, DO
Điều khiển: Thông qua transitor
Cường độ rung: Mức độ rung mà module rung có thể tạo ra, thường được đo bằng đơn vị như m/s^2 (mét trên giây bình phương)
Mạch giảm áp DC LM2596 3A nhỏ gọn có khả năng giảm áp từ 30V xuống 1.5V mà vẫn đạt hiệu suất cao (92%) Thích hợp cho các ứng dụng chia nguồn, hạ áp, cấp cho các thiết bị như camera, motor, robot, …
Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V
Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 30
Dòng đáp ứng tối đa là 3A
Kích thước: 45 (dài) * 20 (rộng) * 14 (cao) mm
2.3.5 Module Cảm Biến Điện Áp
Hình 2.21 Module cảm biến điện áp
Voltage sensor là một cảm biến được sử dụng để tính toán và theo dõi lượng điện áp trong một vật thể Voltage sensor có thể xác định mức điện áp xoay chiều hoặc điện áp một chiều Đầu vào của cảm biến này là điện áp, trong khi đầu ra là công tắc, tín hiệu điện áp tương tự, tín hiệu dòng điện hoặc tín hiệu âm thanh.
Cảm biến là thiết bị có thể cảm nhận hoặc xác định và phản ứng với một số loại tín hiệu điện hoặc quang Việc thực hiện một cảm biến điện áp và các kỹ thuật cảm biến dòng điện đã trở thành một lựa chọn tuyệt vời cho các phương pháp đo dòng điện và điện áp thông thường.
Dải phát hiện điện áp: 0.02445 ~ 25 VDC
Output: ""+"" được kết nối 5/3.3V, ""-"" được kết nối với GND, ""s"" nối với các chân AD của Arduino
Giao tiếp đầu vào DC: dương với VCC, âm với GND
Độ phân giải điện áp: 0,00489 V
Có hai cách để chuyển đổi điện trở của phần tử cảm biến thành điện áp. Phương pháp đầu tiên là phương pháp đơn giản nhất, đó là cung cấp điện áp cho mạch phân chia điện trở bao gồm một cảm biến và một điện trở tham chiếu, được trình bày bên dưới.
Hình 2.22 Cấu tạo của cảm biến điện áp
Điện áp phát triển trên điện trở tham chiếu hoặc cảm biến được đệm và sau đó được cấp cho bộ khuếch đại Điện áp đầu ra của cảm biến có thể được biểu thị bằng
Hạn chế của mạch này là bộ khuếch đại có mặt sẽ khuếch đại toàn bộ điện áp được tạo ra trên cảm biến Tuy nhiên, tốt hơn là chỉ khuếch đại sự thay đổi điện áp do sự thay đổi điện trở của cảm biến, điều này đạt được bằng phương pháp thứ hai thực hiện cầu điện trở, như minh họa bên dưới.
Hình 2.23 Sơ đồ mạch phân chia áp Ở đây, điện áp đầu ra là
Khi R 1 = R, thì điện áp đầu ra xấp xỉ
A → Độ lợi của bộ khuếch đại thiết bị δ → Thay đổi điện trở của cảm biến, tương tự như một số tác động vật lý
Trong phương trình này, hệ số khuếch đại phải được đặt ở mức cao vì chỉ có sự thay đổi điện áp do sự thay đổi điện trở của cảm biến mới được khuếch đại.
Công Thức tính điện áp (Voltage Divider) là :
Vin là điện áp đầu vào ban đầu
R1 là điện trở thứ nhất trong chuỗi cảm biến.
R2 là điện trở thứ hai trong chuỗi cảm biến.
Vout là điện áp đầu ra của cảm biến.
− Ưu điểm của cảm biến điện áp bao gồm:
Trọng lượng và kích thước nhỏ
An toàn nhân sự cao
Mức độ chính xác rất cao
Thân thiện với môi trường
Ứng dụng của cảm biến điện áp bao gồm:
Kiểm soát nhu cầu điện năng
Tổng kết chương
Ở chương này chúng ta tìm hiểu được khái niệm về GPS cũng như là lý thuyết , Pin xe điện, nguyên lý hoạt động của các linh kiện, module được sử dụng trong đề tài.Bên cạnh đó chúng ta hiểu được cách sử dụng phần mềm arduino là một phần mềm cần thiết trong các đề tài IOT hiện nay Qua chương 3 chúng ta sẽ tìm hiểu về nguyên lý, thiết kế và thi công của hệ thống.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
Sơ đồ khối hệ thống
- Khối Nguồn: Khối này cung cấp nguồn điện cho toàn bộ hệ thống, đảm bảo hoạt động của các thiết bị và linh kiện khác.
- Khối Xử lý Trung tâm: Bao gồm hai Arduino Nano 1 và 2, được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các cảm biến, điện thoại và module GPS (Global Positioning System), SIM800A Arduino Nano 1 và 2 có nhiệm vụ xử lý dữ liệu thu thập được và điều khiển các thiết bị như relay và đèn.
- Khối Hiển thị: Bao gồm một màn hình LCD, đèn báo khối này được sử dụng để hiển thị thông tin từ hệ thống.
Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống
- Khối Cảm biến: Bao gồm các cảm biến như cảm biến rung và cảm biến điện áp Cảm biến rung được sử dụng để phát hiện chuyển động hoặc rung đối tượng, trong khi cảm biến điện áp được sử dụng để đo điện áp.
- Khối Thu tín hiệu GPS: Khối này được sử dụng để thu nhận tín hiệu từ hệ thống định vị toàn cầu GPS và gửi tín hiệu nhận được cho khối Xử lý Trung tâm để xử lý thêm.
- Khối Relay: Đây là một khối điều khiển relay, được sử dụng để đóng hoặc mở nguồn điện cho mạch , chẳng hạn như việc khóa xe.
- Khối SIM: Bao gồm module SIM800A, khối này được sử dụng để nhận và truyền dữ liệu từ điện thoại thông qua mạng di động Nó cũng giao tiếp với khối Xử lý Trung tâm để nhận và gửi dữ liệu để điều khiển các thiết bị và truyền thông.
- Khối Điện thoại: Đây là một thành phần ngoại vi, cho phép hệ thống nhận tin nhắn từ điện thoại và gửi tin nhắn đi Nó có thể liên lạc với khối SIM để truyền và nhận dữ liệu điều khiển.
3.1.2 Nguyên lý hoạt động Đầu tiên khối GPS sẽ đọc được vị trí và liên tục gửi dữ liệu vào Arduino 1 sau đó Arduino 1 truyền dữ liệu mà nó đọc được từ gps gửi qua Arduino 2 Khối cảm biên rung và sim được kết nối với Aduino 2, nếu cảm biến rung có tác động thì nó sẽ trả giá trị là 1 , lúc này Arduino 2 sẽ lấy dữ liệu vị trí đọc được từ Arduino 1 và điều khiển khiển Module Sim gửi tín nhắn đến số điện thoại được cài đồng thời còi, đèn và relay sẽ được bật Khi tín nhắn tù điện thoại gửi về sim với dữ liệu
“ON” thì relay2 bật, “OFF” relay2 tắt và “KIEMTRA” Arduino2 sẽ điều khiển sim gửi vị trí về số điện được cài.
Về khối đo dung lượng thì nó sẽ in giá trị đo được hiển thị lên lcd, khi dung lượng pin dưới 20% thì arduino 2 sẽ điều khiển module sim gửi tin nhắn gửi về điện thoại với nội dụng là “ pin dưới 20%”.
Thiết kế và thi công mạch
3.2.1 Giới thiệu về phầm mềm sử dụng
Altium là một phần mềm thiết kế PCB (Printed Circuit Board) được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tử PCB là nền tảng cơ bản cho việc lắp ráp và kết nối các linh kiện điện tử trong các thiết bị và hệ thống điện tử Altium cung cấp một môi trường tích hợp và chuyên nghiệp để thiết kế PCB từ đầu đến cuối Với Altium, người dùng có thể vẽ mạch điện, đặt các linh kiện, thiết kế lớp mạch và vị trí các thành phần trên PCB Phần mềm này cung cấp các công cụ và tính năng để tối ưu hóa thiết kế, đảm bảo hiệu suất và đáng tin cậy của mạch điện.
Một số tính năng và khả năng chính của phần mềm Altium:
Giao diện người dùng thân thiện: Altium cung cấp một giao diện người dùng trực quan và dễ sử dụng, giúp người dùng dễ dàng tìm hiểu và làm việc với các công cụ và tính năng của phần mềm.
Thiết kế PCB đa lớp: Altium hỗ trợ thiết kế PCB với nhiều lớp, cho phép người dùng tạo ra các mạch điện phức tạp với độ tin cậy cao.
Thư viện linh kiện phong phú: Altium đi kèm với một thư viện linh kiện đa dạng, bao gồm các linh kiện phổ biến được sử dụng trong ngành công nghiệp điện tử Điều này giúp người dùng tiết kiệm thời gian và nỗ lực trong việc tìm kiếm và chọn linh kiện cho thiết kế của mình.
Mô phỏng SPICE: Altium hỗ trợ mô phỏng SPICE, cho phép người dùng kiểm tra và đánh giá hiệu suất của mạch điện trước khi sản xuất Điều này giúp giảm thiểu rủi ro lỗi thiết kế và đảm bảo hiệu suất tối ưu của mạch điện.
Tích hợp phần cứng và phần mềm: Altium cung cấp khả năng tích hợp giữa thiết kế phần cứng và phần mềm, cho phép người dùng tối ưu hóa hiệu suất hệ thống và kiểm tra tích hợp giữa các thành phần phần cứng và phần mềm.
Xuất bản tài liệu thiết kế: Altium cho phép người dùng tạo và xuất bản các tài liệu thiết kế chuyên nghiệp như bản vẽ PCB, danh sách linh kiện và bản mạch in Điều này làm cho quá trình chuyển giao dự án và sản xuất PCB trở nên thuận tiện và hiệu quả.
Sơ đồ mạch
Sơ đồ mạch gồm 5 khối chính :
- Khối nguồn ở đây sử dụng module LM2596 để cấp nguồn cho toàn bộ thiết bị có trong mạch.
- Cấp nguồn đầu vào 12V hạ áp bằng module LM2596 cho đầu ra là 5V.
- Sử dụng 1 công tắt switch để đóng mở nguồn mạch.
- Khối điều khiển gồm có 2 Arduino nano là trung tâm, Aruino 1 kết nối với Module GPS và cảm biến điện áp , Arduino 2 sẽ kết nối cảm biến rung, Module Sim800A và các thành phần chức năng khác, cả 2 Arduino này sẽ truyền và nhận dữ liệu của nhau thông qua giao tiếp UART , ở đây Arduino
1 sẽ truyền dữ liệu đọc được từ GPS và cảm biến điện áp đến Arudino 2 , Arduino sẽ có chức năng điều khiển thiết bị.
- Arduino1 đọc điện áp từ cảm biến điện áp qua chân A2 và đọc vị trí từ Module GPS sau đó truyền sang Arduino2.
- Khi cảm biến rung có tác động sẽ kích mức 1 và Arduino 2 sẽ điều khiển Module Sim800A gửi tin nhắn cảnh báo với nội dung vị trí đang đứng của xe về điện thoại đồng thời đèn và còi báo trộm hoạt động cho đến khi cảm biến hết bị tác động.
- Khi dung lượng pin thấp Arduino 1 sẽ đọc và kích mức HIGH vào chân A7 để truyền dữ liệu sang Arduino 2 để gửi tin nhắn cảnh báo dung lượng pin thấp.
- Khối cảm biến: bao gồm cảm biến rung, cả biến điện áp, còi và đèn, Sim800A, GPS Neo6m.
- Cảm biến rung có chức năng nhận diện tác động bên ngoài.
- IC LM358 có chức năng So sánh tín hiệu điện của cảm biến rung với tín hiệu điện cài đặt ở biến trở rồi xuất tín hiệu mức 1 hoặc 0.
- Cảm biến điện áp dùng để đo điện áp áp sau đó quy đổi sang tỉ lệ pin.
- Gps có chức năng định vị vị trí nơi nó đang đứng
- Sim 800A dùng để nhắn tin đến điện thoại và nhận tin nhắn từ điện thoại để điều khiển thiết bị.
- Khối relay: có chức năng đóng ngắt nguồn điện của xe để khóa xe, sử dụng 2 relay với chức năng như công tắc cầu thang, vừa có thể tắt mở khóa bên ngoài hoặc dùng điện thoại.
- C1815 có chức năngkích mức 1 từ arduino vô chân Base của c1815 cực C và
E của c1815 nối thông cấp nguồn cho relay hoạt động.
- Khối hiển thị: khối này bao gồm một màn hình hiển thị LCD chuẩn I2C dùng để hiển thị dung lượng % của mức pin còn lại lên màn hình.
- Khối đèn báo dung lượng có chức năng báo dung lượng của pin thông qua điện áp đo được từ cảm biến điện áp ,đèn led, LCD thể hiện % mức pin còn lại trên xe.
Sơ đồ PCB
Sơ đồ mạch in 3D
Lưu đồ thuật toán
3.6.1 Lưu đồ thuật toán của chương trình vi điều khiển 1
Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán của chương trình cảm biến GPS
Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán của chương trình cảm biến do dung lượng pin
Mô tả lưu đồ thuật toán :
- Đầu tiên, khởi tạo các kiểu dữ liệu cần thiết để lưu trữ thông tin vị trí
- Sau đó, chương trình đi vào hai khối chức năng chính là "Khối GPS" và
"Khối đo dung lượng pin".
- Trong "Khối GPS", chương trình kiểm tra tính hợp lệ của thông tin vị trí GPS bằng cách sử dụng phương thức isvalid() Nếu thông tin vị trí hợp lệ, sẽ tạo một chuỗi googleMapsLink bằng cách kết hợp thông tin vị trí GPS và giá trị tilepin Sau đó, chuỗi này được gửi qua giao tiếp UART bằng Serial.println().
- Trong "Khối đo dung lượng pin", chương trình kiểm tra xem giá trị tilepin có khác với giá trị trước đó (giatripintruoc) hay không Nếu khác nhau, nó hiển thị thông tin về điện áp pin và giá trị tilepin lên màn hình LCD.
3.6.2 Lưu đồ thuật toán của chương trình trên vi điều khiển 2
Hình 3.13 Lưu đồ thuật toán của chương trình trên Vi điều khiển 2
Mô tả lưu đồ thuật toán :
- Bước đầu tiên là kiểm tra trạng thái của nút nhấn và cảm biến rung Nếu nút nhấn được nhấn xuống hoặc cảm biến rung phát hiện chuyển động các hành động tiếp theo sẽ được thực hiện
- Sau đó, sử dụng hàm "digitalWrite" để điều khiển các thiết bị ngoại vi như relay, đèn LED và còi Các thiết bị này sẽ được bật hoặc tắt dựa trên các điều kiện và trạng thái của biến
- Thuật toán xử lý dữ liệu đầu vào từ khối SIM800A, qua số điện thoại đã được cài đặt sẵn Sử dụng câu lệnh "if" và hàm "indexOf" để kiểm tra và xử lý các chuỗi cụ thể trong dữ liệu đầu vào.
- Nếu Sim nhận được dữ liệu "ON", "OFF" hoặc "KIEMTRA , khi kiểm tra đúng sẽ gửi vị trí GPS về điện thoại đã lưu
Tổng kết chương
Ở chương này chúng ta đã tìm hiểu được công cụ thiết kế mạch altium, các sơ đồ khối các chức năng của từng khối có trong mạch, tìm hiểu được nguyên lý hoạt động của mạch chống trộm và đo điện áp đầu vào, sơ đồ khối , thiết kế được mạch in PCB và mô phỏng được 3D Chương tiếp theo sẽ kiểm thử toàn bộ hệ thống có hoạt động ổn định hay không từ đó đánh giá và nêu ra hướng phát triển để hệ thống ổn định hơn.
KIỂM THỬ, ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
KIỂM THỬ
Kết quả thực nghiệm được đánh giá qua việc hệ thống hoạt động trong các điều khiện khác nhau như:
Hệ thống hoạt động ở trong nhà (bị che chắn)
Hệ thống hoạt động ở phía bên ngoài (không bị che chắn) với điều kiện thời tiết không thuận lợi ( có mưa, gió,…).
Hệ thống hoạt động ở phía bên phoài (không bị che chắn) với điều kiện thuận thời tiết thuận lới ( trời quang mây, ít gió, ,…).
Hệ thống cảnh báo mức pin
Hệ thống do lượng pin
Dựa vào kết quả của từng trường hợp thực nghiệm trong các điều kiện khác nhau thì sẽ ảnh hưởng đến kế quả như thế nào, kết quả ở đây bao gồm khả năng kết nối GPS, Pin.
4.1.1 Hệ thống hoạt động trong điều kiện bị che chắn
Hệ thống hoạt động ở tầng hầm giữ xe trong các tòa nhà (bị che chắn)
Vị trí thực nghiệm gồm tầng hầm bãi giữ xe tòa nhà 5 tầng, trong nhà riêng, karaoke,…
Số lần thử nghiệm Số lần thành công Số lần thất bại
- Thử nghiệm trong 20 lần, 15 lần thành công, 5 lần thất bại
- Tỷ lệ thành công là 75%, tỷ lệ thất bại là 25%
- Thời gian nhận tin nhắn mỗi lần khoảng 5-10 giây , ngưỡng thời gian cảnh báo đáp ứng kịp thời để xử lý vấn đề
- Khi bắt đầu tác động vào xe bằng việc dắt xe ra khỏi chỗ để thì module rung và loa hoạt động tốt trong 20 lần, độ nhạy tốt và âm thanh loa to
Hình 4 1 kết 60 quả thực nghiệm trong nơi bị che Hình 4.2 Kết quả thực nghiệm trong nơi bị che chắn
4.1.2 Hệ thống hoạt động trong điều kiện không bị che chắn với điều kiện thời tiết không thuận lợi
Hệ thống hoạt động ở phía bên ngoài (không bị che chắn) với điều kiện thời tiết không thuận lợi ( có mưa, gió,…)
Vị trí thực nghiệm gồm bãi giữ xe ngoài trời Duy Tân cơ sở 03
Quang Trung, chỗ giữ xe ở các quán cà phê, quán nhậu,…
Số lần thử nghiệm Lần thành công Lần thất bại
- Thử nghiệm trong 20 lần, 18 lần thành công, 2 lần thất bại.
- Tỷ lệ thành công là 90%, tỷ lệ thất bại là 10%
- Vì thực hiện ngoài trời và điều kiện không bị che chắn nên GPS sẽ nhận nhanh hơn.
- Thời gian nhận tin nhắn mỗi lần khoảng 20-30 giây, ngưỡng thời gian cảnh báo đáp ứng kịp thời để xử lý vấn đề
- Khi bắt đầu tác động vào xe bằng việc dắt xe ra khỏi chỗ để thì module rung và loa hoạt động tốt trong 20 lần, độ nhạy tốt và âm thanh loa to
4.1.3 Hệ thống hoạt động trong điều kiện không bị che chắn với điều kiện thời tiết thuận lợi
Hệ thống hoạt động ở phía bên phoài (không bị che chắn) với điều kiện thuận thời tiết thuận lới ( trời quang mây, ít gió, ,…).
Hệ thống được thực hiện ngoài trời.
Hình 4.3 Kết quả thực nghiệm trong nơi điều kiện không thuận lợi
Lần thành công Lần thất bại
- Thử nghiệm trong 20 lần, 20 lần thành công, 0 lần thất bại.
- Tỷ lệ thành công là 100%, tỷ lệ thất bại là 0%
- Thời gian nhận tin nhắn mỗi lần khoảng 10 giây , ngưỡng thời gian cảnh báo đáp ứng kịp thời để xử lý vấn đề
- Khi bắt đầu tác động vào xe bằng việc dắt xe ra khỏi chỗ để thì module rung và loa hoạt động tốt trong 20 lần, độ nhạy tốt và âm thanh loa to
4.1.4 Hệ thống hoạt động giám sát cảnh báo mức pin về qua điện thoại
Hệ thống hoạt động ở phía bên phoài (không bị che chắn) với điều kiện thuận thời tiết thuận lới ( trời quang mây, ít gió, ,…)
Hện thống giám sát mức pin dưới ngưỡng 20%, hệ thống sẽ gửi tin nhắn cảnh báo cho người dùng, giúp đảm bảo rằng họ sẽ nhận được thông báo kịp thời về mức pin thấp.
Lần thành công Lần thất bại
Thời gian chờ tin nhắn
- Thử nghiệm trong 20 lần, 14 lần thành công, 9 lần thất bại.
- Tỷ lệ thành công là 60%, tỷ lệ thất bại là 40%
- Thời gian nhận tin nhắn mỗi lần khoảng 10 giây , ngưỡng thời gian cảnh báo đáp ứng kịp thời để xử lý vấn đề
Hình 4.4 Kết quả thực nghiệm trong nơi điều kiện thuận lợi
Hình 4.5 Kết quả thực nghiệm trong hệ thông giám sát mức pin
4.1.5 Hệ thống do dung lượng mức pin còn lại trên xe điện
Do không có bình Acquy sẵn nên mẫu đo được sử dụng là 3 viên pin 18650 3,7V ghép lại với nhau để có điện áp đầu vào là 12v.
Trường hợp mức pin < 20% sẽ gửi thành công cảnh báo dung lượng pin thấp.
Mẫu đo Thời gian sử dụng Dung lượng đo được % Cảnh báo mức pin thấp
Không gửi cảnh báo dung lượng pin