Mục tiêu Đề tài: “THIẾT KẾ, THI CÔNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO AN TOÀN VÀ GIÁM SÁT THỜI GIAN THỰC CHO LÁI XE.” là đề tài mang tính nền tảng, cơ bản để từ đó có thể ứng dụng được trong cuộc sống
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Tổng quan các vấn đề về vận tải
Theo đánh giá của Bộ Giao thông vận tải, trong 6 tháng đầu năm 2023, năng lực vận chuyển và chất lượng dịch vụ vận tải đã tăng cao so với cùng kỳ, đáp ứng tốt nhu cầu đi lại của người dân, đặc biệt là vào các thời điểm cao điểm [1]
Các phương thức vận chuyển đa dạng bao gồm đường bộ, hàng không, đường sắt, đường biển và đa phương thức, mỗi loại có ưu/nhược điểm khác nhau tùy thuộc vào đặc tính hàng hóa, thời gian mong muốn, chi phí và yêu cầu của khách hàng.
Các quá trình vận chuyển hàng hóa cần được quản lý kỹ lưỡng và chắc chắn để đảm bảo các loại hàng hóa được vận chuyển an toàn, đúng giờ và đạt được mong muốn của khách hàng
Trong đó, vận chuyển hàng hóa theo các phương tiện khác nhau có sự chênh lệch: vận tải đường thủy tăng mạnh mẽ lên đến 30,8%; đường biển tăng 13,3%; trong khi đường bộ cũng có sự tăng trưởng đáng kể với 12,7% Ngược lại, vận tải đường sắt giảm mạnh 26,4%, trong khi ngành hàng không chỉ giảm nhẹ 2,2%
Trong tháng 6, ngành vận tải hành khách đã phục vụ khoảng 355,5 triệu lượt khách, tăng 1,8% so với cùng kỳ năm ngoái Tính lũy kế từ đầu năm đến hết tháng 6, tổng lượng hành khách đạt 2.178 triệu lượt, tăng 15,9% so với cùng kỳ năm 2022.
Trong lĩnh vực vận chuyển hành khách, đường sắt là ngành dẫn đầu với tốc độ tăng ấn tượng lên đến 75,7% Tiếp theo là vận chuyển đường biển (+49,6%); đường thủy (+32,9%); hàng không (+26,5%), và cuối cùng là tăng trưởng vận chuyển hành khách qua đường bộ đạt 14,3%
Vận tải trên đường bộ là một hình thức vận chuyển quan trọng và then chốt không thể thiếu trong mọi lĩnh vực Nó là nhân tố quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển kinh tế và giao thương giữa các quốc gia trong thời đại hội nhập kinh tế
Phương thức vận tải đường bộ là một trong những phương thức vận tải có thể nói là được sử dụng nhiều nhất hiện nay Đa số các loại hàng hóa từ lớn đến nhỏ đều sử dụng xe đầu kéo, xe tải và container để chuyên chở hàng hóa đến điểm giao hàng cuối
Từ định nghĩa trên, ta có thể thấy để duy trì một hệ thống vận chuyển hiệu quả thì một người điều khiển phương tiện rất quan trọng Họ không chỉ đóng vai trò quan trọng trong chuỗi cung ứng mà còn là những người đại diện cho các doanh nghiệp và được gặp gỡ với các khách hàng thường xuyên
Theo đại diện của một số doanh nghiệp thì sự tăng trưởng về phương tiện một cách ồ ạt, mạo hiểm, thiếu thẩn trọng trong đầu tư và lượng xe tải tăng mức đột biến dẫn đến việc cạnh tranh không lành mạnh diễn ra một cách nhanh chóng Lượng hàng hóa giảm dần, giá cước bị hạ thấp, các xe thiếu tính chủ động trong việc vận chuyển hàng hóa nên xe phải xếp hàng nằm lại cửa khẩu Do vậy ngay lúc này cần sự quan tâm sâu sắc và đặc biệt của chính phủ tại các khu vực cửa khẩu và phía chính quyền địa phương xây dựng các mô hình phù hợp để đảm bảo an sinh xã hội và phát triển kinh tế
1.1.2 Vai trò của vận tải đường bộ
Trong mọi ngành liên quan đến vận chuyển hàng hóa thì người điều khiển đóng vai trò cực kỳ quan trọng và không thể thiếu Nó đảm nhận việc giao hàng hóa từ điểm xuất phát đến điểm được giao hàng đồng thời kết nối các khâu khác nhau trong chuỗi cung ứng
Loại phương thức vận chuyển này rất linh hoạt và đa dạng có thể vận chuyển hàng hóa từ nguồn cung cấp đến điểm tiêu thụ Nhờ vào hệ thống đường bộ phát triển và tiện ích, vận tải đường bộ có thể cung cấp các dịch vụ vận chuyển đến mọi vùng miền của đất nước từ nông thôn đến thành thị Nó giúp cho khả năng vận chuyển hàng hóa và sự liên kết được đảm bảo
Vận tải đường bộ thường có chi phí vận chuyển thấp hơn so với các phương thức vận chuyển khác như đường biển hay đường hàng không Điều này giúp cho ngành vận tải đường bộ trở thành lựa chọn kinh tế và phổ biến trong nhiều lĩnh vực Qua việc tối ưu hóa lộ trình, sử dụng phương tiện vận chuyển hiệu quả, tối ưu các nguồn lực dẫn đến vận tải đường bộ giúp giảm thiểu chi phí vận chuyển và tăng cường hiệu quả kinh tế
Việc vận tải bằng đường bộ cung cấp khả năng theo dõi và quản lý hàng hóa một cách dễ dàng Các công nghệ và hệ thống quản lý hiện đại cho phép theo dõi tình trạng và lịch trình của các phương tiện vận chuyển đường bộ Điều này giúp cung cấp thông tin chính xác và đáng tin cậy về hàng hóa, đảm bảo tính minh bạch và an toàn trong các quá trình vận chuyển
Ngoài ra cũng có những khó khăn khi vận tải bằng đường bộ như phụ thuộc vào nhiều yếu tố thời tiết như mưa bão Khối lượng và kích thước hàng hóa được vận chuyển còn hạn chế so với vận chuyển đường biển và đường sắt Có thể gặp nhiều tình huống về giao thông như tai nạn, kẹt xe ảnh hưởng đến thời gian cũng như chất lượng hàng hóa
1.1.3 Vai trò của tài xế
Công nghệ IoT
Thuật ngữ "Internet vạn vật" (IoT) mới được phổ biến rộng rãi trong thời gian gần đây, nhưng nguồn gốc của ý tưởng và các dự án tiên phong về IoT đã có từ rất lâu trước đó Trong nhiều thập kỷ, IoT đã được phát triển, nhưng phải đến năm 1999, cụm từ "Internet vạn vật" mới được công nhận rộng rãi nhờ sự đóng góp của Kevin Ashton, người sáng lập Trung tâm Nhận dạng Tự động của MIT (MIT's Auto-ID Center) và là nơi thiết lập các tiêu chuẩn toàn cầu cho RFID (nhận dạng qua sóng radio) và các loại cảm biến khác nhau.
Sự ra đời của IoT đã mở ra nhiều cơ hội thách thức và đã thay đổi cuộc sống của chúng ta rất nhiều IoT tạo ra những ứng dụng và nhiều lợi ích rộng lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau và đóng góp cho sự phát triển của đất nước với nền công nghệ hiện đại lúc bấy giờ
Hình 1.5: IoT kết nối vạn vật
IoT là một thuật ngữ dùng để miêu tả một hệ sinh thái trong đó có các đối tượng vật lý được kết nối với nhau qua Internet và có khả năng trao đổi với nhau mà không cần sự tương tác của con người
Thuật ngữ IoT hay Internet vạn vật đề cập đến mạng lưới các thiết bị thông minh liên kết, giao tiếp giữa thiết bị bao gồm các cảm biến phần mềm, các hệ thống và đám mây cũng như các thiết bị với nhau
1.2.2 Cấu trúc của một hệ thống IoT
Hình 1.6: Cấu trúc hệ thống IoT
Các cảm biến đóng vai trò thu thập thông tin tín hiệu xung quanh và chuyển đổi chúng thành dữ liệu qua internet Sau quá trình xử lý, thông tin được truyền đến người dùng để quản lý thông qua ứng dụng trên điện thoại hoặc máy tính.
Trong một hệ thống vận hành về máy móc hay các thiết bị đều có cấu trúc và cách vận hành riêng, IoT cũng vậy Một hệ thống IoT bao gồm 4 thành phần chính sau:
Vạn vật (Things): Là những thiết bị, vật dụng đang được sở hữu hay hiện hành trên thị trường công nghệ và gia dụng tại các môi trường xung quanh như trong nhà ở hay trên tay người dùng Ví dụ như các thiết bị cảm biến, điện thoại, thiết bị đeo, các thiết bị được kết nối trực tiếp thông qua mạng không dây và truy cập được vào Internet IoT giúp các thiết bị được kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ [6]
Cổng kết nối (Gateway) là một bộ trung tâm giao tiếp trực tiếp, cho phép các thiết bị thường dùng kết nối an toàn và dễ quản lý với đám mây.
Cơ sở hạ tầng mạng (Network and Cloud) bao gồm các mạng IP liên kết trên toàn cầu cùng hệ thống máy tính Các thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị lặp, thiết bị tổng hợp kiểm soát luồng dữ liệu trên cơ sở hạ tầng này Nhà cung cấp dịch vụ chịu trách nhiệm kết nối và triển khai mạng lưới viễn thông và cáp Trung tâm dữ liệu hoặc đám mây gồm các máy chủ, hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối liên thông.
Tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers): Các thiết bị
IoT có thể được quản lý thông qua giao diện đồ họa người dùng Đưa sản phẩm và các giải pháp về IoT ra thị trường một cách nhanh chóng và đảm bảo cho người dùng, tận dụng hết các giá trị và dữ liệu được phân tích để đưa vào hệ thống vận hành [6]
IoT được ứng dụng rất nhiều ở mọi nơi bao gồm ứng dụng cho doanh nghiệp, ứng dụng cho người dùng đặc biệt trong các ngành công nghiệp được áp dụng rất đa dạng trên mọi thiết bị trong ngành
Các cảm biến có thể đo lường các sản lượng đạt được hay khi bị tổn hại về mặt sản xuất Giúp các nhà máy có thể giảm thiểu các chi phí tổn thất hay tăng độ chính xác của các thiết bị cải thiện hiệu suất đạt được trong quá trình sản xuất Các hình thức giao thông vận tải còn có thể được định tuyến dựa trên điều kiện thời tiết, tính khả dụng của tài xế nhờ dữ liệu cảm biến của IoT
IoT còn có thể áp dụng trong ngôi nhà của mình, biến ngôi nhà của mình trở nên thông mình khi có thể điều khiển các thiết bị điện qua ứng dụng hay thiết bị thông minh như giọng nói, âm thanh IoT có thể định vị thời gian thực, kiểm tra sức khỏe, làm cho nhà, văn phòng, nơi làm việc của chúng ta trở nên hiện đại hơn và tốt hơn trong cuộc sống ngày nay
Ngoài ra có nhiều ứng dụng của IoT được sử dụng trong nhiều lĩnh vực vận chuyển và được áp dụng rất đa dạng trên mọi thiết bị trong ngành từ xe tải cho đến các kho bãi Với khả năng kết nối thông minh IoT đã và đang tạo ra những thay đổi đáng kể trong lĩnh vực này Nó bao gồm quản lý và giám sát hành trình từ điểm xuất phát đến điểm đến, sử dụng thiết bị vận chuyển không người lái, có thể quản lý hàng tồn kho, tối ưu hóa và giảm các chi phí hoạt động của chuỗi cung ứng cũng như để quản lý chuỗi cung ứng Các giải pháp được áp dụng trong ngành để có thể tận dụng và tạo ra những cơ hội phát triển mới.
Xử lý ảnh
1.3.1 Khái niệm xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một lĩnh vực khoa học công nghệ còn mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển rất nhanh trong thời đại công nghệ ngày nay Xử lý ảnh phương pháp chuyển đổi hình ảnh sang dạng số, là quá trình áp dụng các thuật toán, phương pháp thay đổi, phân tích hay cải thiện các hình ảnh bao gồm các bước từ việc tiền xử lý ban đầu đến việc xử lý và phân tích chi tiết hình ảnh
Xử lý ảnh bao gồm nhiều quy trình giúp cải thiện và phân tích hình ảnh, giúp tách biệt các đối tượng, chia thành từng vùng, phân biệt rõ các cạnh, tăng cường chất lượng, gắn nhãn cho các vùng phân biệt được và thậm chí là chuyển đổi thông tin hình ảnh thành văn bản [7].
Nhận biết và đánh giá nội dung của ảnh là quá trình phân tích một hình ảnh thành các phần có ý nghĩa để phân biệt đối tượng này với đối tượng khác Khi nhận biết được các đối tượng trong ảnh, chúng ta có thể mô tả cấu trúc ban đầu của hình ảnh
1.3.2 Các quá trình xử lý ảnh
Có nhiều quá trình xử lý ảnh khác nhau, các quá trình được áp dụng và thay đổi cải thiện trong quá trình xử lý ảnh Mỗi giai đoạn có những chức năng và nhiệm vụ khác nhau trước khi đi đến giai đoạn tiếp theo [7]
Các quá trình đó bao gồm:
Thu nhận ảnh: Là công đoạn đầu tiên trong xử lý ảnh cũng là công đoạn mang tính quyết định trong xử lý ảnh Ảnh đầu vào sẽ được thu nhận thông qua các Camera, máy scan, Chất lượng hình ảnh phụ thuộc vào các thiết bị thu hay môi trường Sau đó các tín hiệu sẽ được số hóa để thu nhận dạng số hóa của ảnh
Tiền xử lý: Sau bước thu nhận ảnh thì ảnh có thể bị nhiễu hệ thống hay nhiễu ngẫu nhiên cho nên ở bước này ảnh sẽ qua bộ lọc và sẽ được cải thiện về độ tương phản, khử nhiễu, khử độ lệch, khử bóng, Mục đích là để chất lượng hình ảnh trở nên tốt hơn và dễ dàng hơn cho các bước về sau trong quá trình xử lý ảnh
Phân đoạn ảnh: Đây là bước quan trọng và then chốt trong xử lý ảnh Phân đoạn ảnh là tách một ảnh đầu vào thành các thành phần có cùng tính chất nào đó dựa theo biên hay các vùng liên thông Mục đích là để có thể miêu tả tổng hợp về nhiều phần tử khác nhau để tạo nên ảnh thô
Tách các đặc tính: Sau công đoạn phân đoạn ảnh thì sẽ cho ra kết quả là các dữ liệu điểm ảnh thô trong đó chứa tất cả các điểm ảnh thuộc về chính vùng ảnh đó hoặc có thể chứa biên của một vùng ảnh đó Để chuyển đổi chúng ta có thể biểu diễn dạng biên cho các ứng dụng chỉ quan tâm đến đặc trưng hình ảnh bên ngoài của đối tượng Biểu diễn dưới dạng vùng phù hợp với những ứng dụng chủ yếu tập trung vào tính chất bên trong của đối tượng Ngoài ra chúng ta cần phải có phương pháp để mô tả dữ liệu đã dược chuyển đổi đó để cho những tính chất cần quan tâm sẽ trở nên nổi bật và dễ dàng xử lý hơn về sau
Nhận dạng và phân loại: Là bước cuối trong quá trình xử lý ảnh, nhận dạng và giải thích được hiểu đơn giản là gán đối tượng trong hình ảnh Phân loại hình ảnh dựa trên máy học, phân loại bằng các mô hình học sâu (deep learning) như mạng nơ-ron tích chập (CNN), và trích xuất đặc trưng thường được áp dụng trong quá trình này
Tuy nhiên, không phải ứng dụng về xử lý ảnh nào cũng qua các trình tự như trên Tổng quan lại thì những chức năng xử lý bao gồm chức năng nhận dạng hay giải thích thì thường chỉ có trong các hệ thống phân tích ảnh tự động hoặc bán tự động Nó được dùng để phân tích những thông tin quan trọng từ ảnh ví dụ như nhận dạng chữ viết tay, ký tự,
1.3.3 Ứng dụng của xử lý ảnh
Xử lý ảnh được áp dụng rất nhiều trong nền khoa học và công nghệ hiện nay nó là quá trình áp dụng các thuật toán và phương pháp để thay đổi, cải thiện hoặc trích xuất thông tin từ hình ảnh Dưới đây là một số ứng dụng của xử lý ảnh [7]:
Nhận dạng khuôn mặt: Ứng dụng xử lý ảnh để nhận dạng khuôn mặt trong video hay trong ảnh Được sử dụng trong các hệ thống an ninh, giao diện người dùng trong các thiết bị di động hay phân loại hình ảnh trong các ứng dụng quản lý hình ảnh
Xử lý ảnh trong ô tô: Xử lý ảnh đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát hiện, nhận dạng biển số ô tô, hay phát hiện vật cản xung quanh, nhận dạng làn đường hay các công nghệ hỗ trợ lái xe thông mình Nó giúp cho chúng ta điều khiển dễ dàng với môi trường xung quanh và trở nên an toàn hơn
Tăng cường ảnh và hiệu ứng hình ảnh: Xử lý ảnh được sử dụng để cải thiện chất lượng hình ảnh, chỉnh sửa màu sắc, loại bỏ nhiễu, hiệu ứng hình ảnh Được áp dụng trong nhiếp ảnh, truyền thông, thiết kế đồ họa, các ứng dụng giải trí
Phân loại đếm sản phẩm: Hệ thống xử lý ảnh được sử dụng để phân loại đếm sản phẩm dựa trên các đặc điểm riêng biệt của sản phẩm ví dụ như màu sắc, kích thước hay hình dạng Giúp tăng tốc và chính xác trong quá trình sản xuất và có thể đạt được sản lượng nhiều hơn
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, cuộc cách mạng Internet of Things (IoT) đang tác động mạnh mẽ đáng kể đến cuộc sống hiện tại và tương lai của chúng ta Với sự phát triển và phổ biến của Internet, điện thoại thông minh và các thiết bị cảm biến đang trở thành xu hướng mới của thế giới Với nền công nghiệp 4.0 thì IoT đang tạo ra những tiềm năng lớn cho cuộc sống và các ngành công nghiệp hiện đại bởi nó có thể kết nối với Internet để điều khiển, quản lý và giám sát từ xa
IoT có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như y tế, công nghiệp, nông nghiệp và đặc biệt là trong lĩnh vực quản lý an toàn giao thông Ngoài ra với sự phát triển của IoT chúng ta có thể kết hợp cùng với xử lý ảnh, IoT đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập, truyền và xử lý dữ liệu hình ảnh để thực hiện các tác vụ xử lý ảnh Các cảm biến và Camera thông minh có thể được kết nối giám sát thu thập hình ảnh và truyền dữ liệu đến trung tâm xử lý để phát hiện và nhận dạng các chuyển động bất thường
Sau một khoảng thời gian dài do ảnh hưởng của dịch Covid-19, nền kinh tế toàn cầu bắt đầu tăng trưởng trở lại kéo theo là sự phát triển mạnh mẽ của các lĩnh vực đặc biệt là trong các vấn đề về vận chuyển vận chuyển hàng hóa Và người tài xế, một người đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận chuyển hàng hóa, là người chịu trách nhiệm vận chuyển hàng hóa theo lịch trình và yêu cầu của khác hàng
Việc áp dụng IoT kế hợp xử lý ảnh cho người tài xế mang tới nhiều lợi ích cho doanh nghiệp, hỗ trợ quản lý và vận hành tốt hơn, đảm bảo sự an toàn cho người lái xe
Ai cũng hiểu rằng khi điều khiển các phương tiện giao thông di chuyển trên đường bộ với tình trạng say rượu bia hay buồn ngủ không tỉnh táo tự chủ trong việc lái xe là một việc rất nguy hiểm Việc tài xế tại Việt Nam vẫn còn có thể lái xe khi buồn ngủ, tai nạn giao thông do sử dụng rượu, bia luôn là vấn đề của toàn xã hội Hơn lúc nào hết, ý thức người tham gia giao thông vẫn là yếu tố quan trọng hàng đầu, góp phần giảm thiểu tai nạn giao thông do ngủ gật hay sử dụng rượu bia khi điều khiển phương tiện
Theo thống kê của Ủy ban An toàn giao thông quốc gia vào năm 2019, mỗi năm có hơn 6000 người chết từ những vụ tai nạn giao thông liên quan tới tài xế ngủ gật Nguyên nhân do thiếu ngủ chiếm tới 30% tổng các vụ giao thông trong một năm Bên cạnh đó, theo thống kê của Ủy ban An toàn giao thông quốc gia vào năm 2022, khoảng 40% số vụ tai nạn giao thông và 11% số người chết có liên quan rượu bia Ngoài ra thì theo Tổ chức Nghiên cứu Giấc ngủ Hoa Kỳ, không ngủ trong 18 giờ liên tục gây ảnh hưởng tương tự như khi có 0,05% nồng độ cồn trong máu (mức giới hạn cho phép ở các Quốc gia Singapore và Malaysia là 0,08%)
Công nghệ tích hợp trong các phương tiện hỗ trợ phát hiện và ngăn ngừa ngủ gật bằng hệ thống cảnh báo mệt mỏi thông minh, theo dõi cử động đầu, mắt, biểu hiện khuôn mặt để phát hiện dấu hiệu ngủ gật và đưa ra cảnh báo kịp thời Tuy nhiên, người lái xe cần chú ý và hiểu rõ tình trạng sức khỏe và giấc ngủ của mình Duy trì chế độ ngủ đều đặn, giảm căng thẳng, hạn chế chất kích thích cũng giúp giảm nguy cơ ngủ gật Cải thiện an toàn giao thông và giảm rủi ro ngủ gật đòi hỏi sự hợp tác giữa các cơ quan quản lý giao thông, doanh nghiệp vận tải và cộng đồng.
Mục tiêu nghiên cứu
Giám sát tình trạng khi lái xe là vô cùng cần thiết để đảm bảo an toàn trên đường Sử dụng công nghệ tiên tiến như ESP32 và Raspberry Pi cho phép giám sát vị trí trực tuyến, đọc và truyền tín hiệu từ cảm biến nồng độ cồn và phát hiện ngủ gục nhờ camera Sự kết hợp này tạo nên một hệ thống toàn diện giúp theo dõi chặt chẽ hành vi của người lái xe, từ đó kịp thời cảnh báo và ngăn ngừa các rủi ro đáng tiếc.
Tìm hiểu và tiến hành xây dựng các cơ sở dữ liệu, truyền nhận dữ liệu giữa thiết bị và server Xây dựng giao diện server để giám sát và quản lý thiết bị
Thiết kế và thi công mô hình.
Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống giám sát tình trạng ngủ gục của tài xế bằng cách theo dõi mắt, cảm biến nồng độ cồn, quản lý vị trí thông qua Internet.
Nội dung thực hiện
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và thiết kế mạch sử dụng chip ESP32 và máy tính nhúng Raspberry Pi
Thiết kế mạch nguồn cho mô hình
Tìm hiểu và xây dựng cơ sở dữ liệu
Thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình giao tiếp giữa vi điều khiển với các cảm biến, thiết kế chương trình theo dõi trạng thái mắt, chương trình phát hiện nồng độ cồn trong không khí, thiết kế giao diện web server để quản lý, giám sát tình trạng tài xế, định vị GPS thông qua Internet
Thử nghiệm và điều chỉnh phần cứng cũng như chương trình để mô hình được tối ưu hóa Đánh giá các thông số của mô hình
Viết báo cáo thực hiện.
Bố cục đồ án
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương này trình bày các vấn đề liên quan đến tài xế khi điều khiển phương tiện, các vấn đề liên quan đến việc ngủ gật, lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, và bố cục đồ án.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ
Raspberry Pi 4 Model B 4GB
2.1.1 Giới thiệu sơ lược Raspberry
Raspberry Pi là một thiết bị máy tính mini với kích thước tương đương một chiếc thẻ ATM, được tạo ra và phát triển bởi Raspberry Pi Foundation, một tổ chức phi lợi nhuận Sản phẩm này đã nhanh chóng thu hút sự quan tâm và sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới [16]
Kể từ khi ra mắt, Raspberry Pi đã trình làng bốn phiên bản chính, đó là Pi 1, Pi 2,
Pi 3 và Pi 4 Mỗi phiên bản bao gồm cả hai model A và model B Trong đó, model A thường có giá thấp hơn, với ít bộ nhớ RAM và ít cổng giao tiếp như USB hay Ethernet hơn so với model B Ngoài các phiên bản chính, Raspberry Pi còn có một phiên bản phụ, Pi Zero, có kích thước nhỏ hơn đáng kể
Raspberry Pi 4 là một trong những phiên bản mới nhất của dòng máy tính nhúng nhỏ gọn và phổ biến được sản xuất bởi Raspberry Pi Foundation Raspberry Pi 4 cung cấp nhiều cải tiến vượt trội so với các phiên bản trước đó
Raspberry Pi 4 Model B 4GB được ra mắt vào ngày 24 tháng 6, 2019 Raspberry
Pi là một Single Board Computer (SBC) giúp cho nhiều người tiếp cận tới máy tính kỹ thuật số Hoặc nói một cách khác, bạn có thể xây dựng một máy tính cá nhân với giá cả phải chăng
Raspberry Pi 4 thích hợp cho một loạt các ứng dụng, bao gồm IoT, điều khiển thiết bị, dự án nhúng, giáo dục và nghiên cứu Với khả năng linh hoạt và giá thành thấp, Raspberry Pi 4 đã trở thành một công cụ phổ biến cho các nhà phát triển và tinkerer trong việc tạo ra các dự án độc đáo và sáng tạo
Raspberry Pi 4 nhỏ gọn nhưng đầy đủ các giao diện và kết nối, cho phép tương tác với nhiều thiết bị ngoại vi và linh kiện khác nhau Cổng GPIO kết nối với mô-đun, cảm biến và bộ điều khiển, cổng USB kết nối với thiết bị ngoại vi, cổng video HDMI kết nối với màn hình Với kích thước chỉ bằng thẻ tín dụng, Raspberry Pi 4 vẫn đảm bảo mọi chức năng cần thiết để xử lý nhiều tác vụ đa dạng.
Raspberry Pi 4 Model B, một trong những phiên bản tiên tiến nhất của dòng sản phẩm Raspberry Pi, đặt ra một tiêu chuẩn mới về hiệu suất và đa dạng trong các ứng dụng nhúng Với bộ xử lý Broadcom BCM2711, Quad-core Cortex-A72 64-bit chạy ở tốc độ 1.5GHz, Raspberry Pi 4 Model B mang lại hiệu suất tính toán đáng kinh ngạc cho nhiều ứng dụng khác nhau [16]
• Bộ Xử Lý và Đồ Họa
Trái tim của Raspberry Pi 4 Model B là Broadcom BCM2711, một vi xử lý Quad-core Cortex-A72 với tốc độ xung nhịp 1.5GHz Kiến trúc 64-bit và hiệu suất xử lý mạnh mẽ cho phép xử lý dữ liệu lớn và chạy các ứng dụng hiện đại Đồ họa VideoCore VI hỗ trợ đồ họa OpenGL ES 3.0 và giải mã/mã hóa video 4K/1080p, khiến Raspberry Pi 4 Model B trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng đa phương tiện như xem video chất lượng cao và xử lý đồ họa 3D.
• Bộ Nhớ và Lưu Trữ
Raspberry Pi 4 Model B sở hữu đa dạng phiên bản bộ nhớ RAM như 2GB, 4GB và 8GB LPDDR4-3200 SDRAM, đáp ứng tốt nhu cầu của người dùng Thẻ nhớ microSD là giải pháp lưu trữ bên ngoài, thay thế cho bộ nhớ tích hợp của Raspberry Pi 4 Thiết kế này vừa linh hoạt, cho phép người dùng tùy chọn dung lượng phù hợp, vừa đảm bảo hiệu suất ổn định cho các ứng dụng khác nhau.
• Kết Nối Không Dây và Có Dây
Với mục tiêu tối ưu hóa kết nối, Raspberry Pi 4 Model B tích hợp cả Wi-Fi và Bluetooth Module Wi-Fi hỗ trợ chuẩn 802.11b/g/n/ac, hoạt động ở cả băng tần 2.4GHz và 5GHz, giúp tối ưu hóa khả năng kết nối không dây và giảm nhiễu Bluetooth 5.0 giúp kết nối không dây với các thiết bị ngoại vi và loa không dây một cách hiệu quả
Ngoài ra, Raspberry Pi 4 Model B còn tích hợp cổng Ethernet Gigabit, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cực kỳ nhanh qua mạng có dây, làm cho nó trở thành một giải pháp đa kết nối linh hoạt cho các dự án mạng và IoT
• Cổng Giao Tiếp và Kết Nối
Với các cổng ngoại vi phong phú, Raspberry Pi 4 Model B tối ưu hóa sự kết nối với nhiều thiết bị Hai cổng USB 3.0 và hai cổng USB 2.0 hỗ trợ dễ dàng kết nối bàn phím, chuột và thiết bị lưu trữ Hai cổng micro HDMI cho phép xuất hình ảnh chất lượng 4Kp60, mang đến trải nghiệm hiển thị vượt trội Ngoài ra, cổng âm thanh 3,5mm và âm thanh qua HDMI đa dạng hóa lựa chọn trải nghiệm âm thanh cho người dùng.
• Nguồn Điện và Kích Thước
Raspberry Pi 4 Model B có thể nhận nguồn qua cổng Micro USB hoặc USB Type-C, với mức điện áp đầu vào là 5V/3A Sự đa dạng về cổng cấp nguồn giúp người dùng dễ dàng lấy nguồn từ các nguồn khác nhau.
Với kích thước nhỏ gọn là 85.6mm x 56.5mm x 17mm và trọng lượng chỉ 46g, Raspberry Pi 4 Model B là một thiết bị nhỏ gọn nhưng đầy đủ tính năng, dễ dàng tích hợp vào nhiều dự án khác nhau
• Hệ Điều Hành và Cộng Đồng
Raspberry Pi 4 Model B hỗ trợ nhiều hệ điều hành, chủ yếu là Raspberry Pi OS (trước đây là Raspbian), nhưng cũng bao gồm nhiều lựa chọn hệ điều hành khác nhau phù hợp với nhu cầu cụ thể của người dùng
Node MCU ESP32-ROOM-32
2.2.1 Giới thiệu sơ lược ESP32-WROOM-32
ESP32 là một ESP32 là một dòng vi điều khiển được phát triển bởi Espressif System Được thiết kế với tiêu thụ năng lượng cực thấp và chip được tích hợp công nghệ Wifi và Bluetooth Nó cung cấp một nền tảng tích hợp mạnh mẽ, đáp ứng nhu cầu hiệu năng cao, linh hoạt, thiết kế nhỏ gọn, hiệu suất cao và độ tin cậy trong nhiều ứng dụng khác nhau Có các phiên bản chip ESP32 bao gồm ESP32-D0WDQ6, ESP32-D0WD, ESP32-D2WD, và ESP32-S0WD [8]
ESP32-WROOM-32 là một trong số các phiên bản phổ biến, dựa trên vi điều khiển ESP32, một module vi điều khiển (MCU) Wifi – Bluetooth – BLE (Bluetooth Low Energy) mạnh mẽ được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau
Module này có thể thực hiện từ những ứng dụng đơn giản như điều khiển thiết bị, và đọc cảm biến đến những nhiệm vụ phức tạp như mã hóa giọng nói, phát nhạc trực tuyến, giải mã MP3, Nó là một module tích hợp đầy đủ các chức năng liên quan đến Wi-Fi và Bluetooth, cho phép việc kết nối và truyền dữ liệu không dây dễ dàng
ESP32-WROOM-32 sử dụng vi xử lý hai nhân Tensilica Xtensa LX6 với tốc độ xung nhịp lên đến 240 MHz Tích hợp bộ nhớ flash, bộ chuyển đổi điện áp DC-DC và các giao diện ngoại vi phục vụ việc kết nối với các thiết bị khác Đáng chú ý, ESP32-WROOM-32 được thiết kế với lõi chip ESP32-D0WDQ6, bao gồm 2 lõi CPU có khả năng hoạt động độc lập ở tần số xung nhịp từ 80 MHz đến 240 MHz.
ESP32-WROOM-32 hỗ trợ giao thức Wi-Fi 802.11 b/g/n và Bluetooth 4.2 BLE nên có thể sử dụng cho các ứng dụng IoT, hệ thống kiểm soát và giám sát từ xa, đèn thông minh, thiết bị đo lường và nhiều ứng dụng khác.
Module này hỗ trợ nhiều giao diện ngoại vi, bao gồm UART, SPI, I2C, I2S, GPIO và ADC Nhờ đó, nó có thể kết nối với các cảm biến, màn hình hiển thị, bộ nhớ ngoài và các thiết bị khác để nâng cao khả năng ứng dụng của mình Để phát triển và lập trình cho ESP32-WROOM-32, người dùng có thể sử dụng các môi trường phát triển tích hợp (IDE) như Arduino IDE hoặc PlatformIO Ngoài ra, Espressif Systems còn cung cấp một bộ công cụ phát triển phần mềm (SDK) dành riêng cho vi điều khiển ESP32, tích hợp nhiều thư viện và tài liệu hữu ích, giúp người dùng khai thác tối đa tiềm năng của module.
Tóm lại, ESP32-WROOM-32 là một module truyền thông không dây mạnh mẽ và linh hoạt, có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng IoT và các dự án điện tử khác, với khả năng kết nối Wi-Fi và Bluetooth
Nhờ tích hợp Bluetooth, Bluetooth LE và Wifi nên module này có thể thực hiện nhiều ứng dụng khác nhau Wifi cho phép kết nối trong phạm vi rộng và không giới hạn, trong khi Bluetooth giúp thiết lập kết nối một cách dễ dàng Module này cũng hỗ trợ truyền dữ liệu lên đến 150Mbps
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật cơ bản của Module ESP32-WROOM-32
Loại Đặc trưng Thông số
Giao thức 802.11 b/g/n/e/i (802.11n lên đến 150Mbps)
Giao thức Bluetooth v4.2 và Bluetooth Lower Engery
NZIF với độ nhạy -97dBm Máy phát Class-1, Class-2, Class-3 AFH
Thẻ SD, UART, SPI, SDIO, I2C, Led PWM, Motor PWM, I2S
IR, Counter, GPIO, cảm biến cảm ứng, ADC, DAC
Chip cảm biến Hall sensor (từ trường)
SPI Flash 4MB Điện áp hệ thống 2.7V ~ 3.6V Dòng hệ thống Trung bình: 80mA Dòng điện tối thiểu 500mA
2.2.2 Chức năng các chân trong ESP32-WROOM-32
Bảng 2.4: Định nghĩa chân trong ESP32-WROOM-32[11]
Tên Số Loại Chức năng
EN 3 I (input) Cho phép module hoạt động mức cao
SENSOR_VP 4 I GPIO36, ADC1_CH0, RTC_GPIO0
SENSOR_VN 5 I GPIO39, ADC1_CH3, RTC_GPIO3
IO34 6 I GPIO34, ADC1_CH6, RTC_GPIO4
IO35 7 I GPIO35, ADC1_CH7, RTC_GPIO5
IO32 8 I/O (input/output) GPIO32, XTAL_32K_P, ADC1_CH4,
IO33 9 I/O GPIO33, XTAL_33K_P, ADC1_CH5,
IO25 10 I/O GPIO25, DAC_1, ADC2_CH8,
IO26 11 I/O GPIO26, DAC2_CH7, ADC2_CH9,
IO27 12 I/O GPIO27, ADC2_CH6, TOUCH7,
IO14 13 I/O GPIO14, ADC2_CH6, TOUCH6,
IO12 14 I/O GPIO12, ADC2_CH5, TOUCH5,
IO13 16 I/O GPIO13, ADC2_CH4, TOUCH4,
SHD/SD2 17 I/O GPIO9, SD_DATA2, U1RXD
SWP/SD3 18 I/O GPIO10, SD_DATA3, U1TXD
SCS/CMD 19 I/O GPIO11, SD_CMD, U1RTS
SCK/CLK 20 I/O GPIO6, SD_CLK, U1CTS
SDO/SD0 21 I/O GPIO7, SD_DATA0, U2RTS
SDI/SD1 22 I/O GPIO8, SD_DATA1, U2CTS
IO15 23 I/O GPIO15, ADC2_CH3, TOUCH3,
IO2 24 I/O GPIO12, ADC2_CH2, TOUCH2,
IO0 25 I/O GPIO0, ADC2_CH1, TOUCH1,
IO4 26 I/O GPIO4, ADC2_CH0, TOUCH0,
IO16 27 I/O GPIO16, HS1_DATA4, U2RXD
IO17 28 I/O GPIO17, HS1_DATA5, U2TXD
RXD0 34 I/O GPIO3, U0RXD, CLK_OUT2
TXD0 35 I/O GPIO1, U0TXD, CLK_OUT3
Hình 2.7: Sơ đồ bố trí chân của ESP32-WROOM-32
2.2.3 Chức năng tích hợp trong ESP32
Wi-Fi: ESP32-WROOM-32 hỗ trợ kết nối Wi-Fi 802.11 b/g/n, cho phép truyền dữ liệu không dây qua mạng Wi-Fi
Bluetooth: ESP32-WROOM-32 hỗ trợ Bluetooth 4.2 BLE (Bluetooth Low Energy), cho phép kết nối với các thiết bị Bluetooth như điện thoại di động, máy tính bảng, tai nghe và các thiết bị thông minh khác
GPIO (General Purpose Input/Output): ESP32-WROOM-32 có các chân GPIO để kết nối với các thiết bị ngoại vi như cảm biến, màn hình, đèn LED và các thiết bị khác UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): ESP32-WROOM-32 hỗ trợ giao tiếp UART, cho phép giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua giao thức nối tiếp
SPI (Serial Peripheral Interface): ESP32-WROOM-32 tích hợp giao diện SPI, cho phép giao tiếp với các thiết bị ngoại vi như màn hình LCD, bộ nhớ flash và cảm biến thông qua giao thức SPI
I2C (Inter-Integrated Circuit): ESP32-WROOM-32 hỗ trợ giao diện I2C, cho phép giao tiếp đa thiết bị với tốc độ truyền dữ liệu nhanh thông qua giao thức I2C
I2S (Inter-IC Sound): ESP32-WROOM-32 tích hợp giao diện I2S, cho phép giao tiếp với các thiết bị âm thanh như DAC (Digital-to-Analog Converter) và ADC (Analog- to-Digital Converter) Điều này cho phép xử lý âm thanh và phát âm thanh chất lượng cao
Bộ nhớ flash tích hợp: ESP32-WROOM-32 tích hợp bộ nhớ flash để lưu trữ chương trình và dữ liệu
ADC (Analog-to-Digital Converter): ESP32-WROOM-32 có chức năng chuyển đổi tín hiệu analog sang số, cho phép đọc các cảm biến analog và thu thập dữ liệu từ chúng và chuyển đổi chúng thành dữ liệu số để xử lý
Bộ xử lý hai nhân: ESP32-WROOM-32 được trang bị vi xử lý hai nhân Tensilica Xtensa LX6, cung cấp khả năng xử lý mạnh mẽ và đồng thời thực hiện nhiều nhiệm vụ cùng một lúc Đây là một số chức năng chính tích hợp trong ESP32-WROOM-32 Module Module này có kích thước nhỏ gọn và được tích hợp sẵn các thành phần cần thiết, giúp dễ dàng tích hợp vào các ứng dụng IoT và các dự án điện tử
2.2.3.1 CPU và kiến trúc bộ nhớ
Chip ESP32 là một bộ xử lý kép (Dual core) dựa trên vi điều khiển Xtensa@ 32bit LX6, với những đặc trưng sau:
Hỗ trợ xung nhịp lên đến 240MHz
Hỗ trợ DSP bao gồm bộ nhân 32bit, bộ chia 32bit, MAC 40bit
• Bộ nhớ nội (Internal memory) [11]
Bộ nhớ nội của ESP32 được chia thành hai phần chính: Flash memory (bộ nhớ flash) và SRAM (bộ nhớ SRAM) Bộ nhớ flash là nơi lưu trữ chương trình và dữ liệu cố định ESP32 có bộ nhớ flash tích hợp sẵn với dung lượng khá lớn, thường là từ 4MB đến 16MB, tùy thuộc vào phiên bản cụ thể của ESP32 Bộ nhớ flash được sử dụng để lưu trữ mã chương trình và các tài nguyên như hình ảnh, âm thanh, dữ liệu cấu hình và các file khác Ngoài ra, bộ nhớ flash cũng được sử dụng để lưu trữ các thư viện và tập tin firmware Bên cạnh đó, ESP32 cũng có bộ nhớ SRAM, được sử dụng cho việc lưu trữ và xử lý dữ liệu trong quá trình thực thi chương trình Bộ nhớ SRAM của ESP32 có dung lượng thường là từ 520KB đến 4MB, tùy thuộc vào phiên bản cụ thể của ESP32
Công nghệ sử dụng
2.3.1 Cảm biến nồng độ cồn MQ3
Hình 2.9: Cảm biến MQ3 Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật của cảm biến MQ3
Kích thước 32 x 22 x 27 mm Điện áp hoạt động 5 VDC
Dòng sử dụng Tối đa 150mA Điện trở đầu ra 2 kΩ đến 20 kΩ (tương ứng với nồng độ cồn từ 10 ppm đến 300 ppm) Độ ẩm hoạt động 95% RH
Nhiệt độ hoạt động -20°C đến 50°C
AO: Phát hiện nồng độ cồn, ở chân này điện áp tỷ lệ thuận với nồng độ cồn nên nồng độ cồn cao thì điện áp cũng sẽ cao và ngược lại
DO: Phát hiện nồng độ cồn Khi nồng độ cồn vượt ngưỡng D0 ở mức LOW thành HIGH và ngược lại
VCC: là chân nguồn, điện áp cấp cho cảm biến là 5V
GND: là chân nối đất
Cảm biến nồng độ cồn MQ3 là một loại cảm biến khí được sử dụng với mục đích đo nồng độ cồn trong không khí Thường được sử dụng trong các ứng dụng như hệ thống cảnh báo độ cồn, thiết bị an toàn giao thông và các ứng dụng công nghiệp khác liên quan đến giám sát nồng độ cồn
Hoạt động của cảm biến MQ3 dựa trên nguyên lý của hiệu ứng biến thiên điện trở theo nồng độ cồn Bao gồm một bộ lọc khí và một điện cực bên trong để phản ứng với cồn Khi có cồn xuất hiện, nó tương tác với bề mặt của điện cực, làm thay đổi điện trở của cảm biến Cảm biến MQ3 có thể phát hiện các loại cồn như ethyl alcohol, methyl alcohol và isobutyl alcohol Để sử dụng được cảm biến MQ3, ta cần kết nối với một vi điều khiển hoặc mạch đọc tín hiệu analog Cảm biến sẽ cung cấp đầu ra analog, thường là một điện áp, tương ứng với nồng độ cồn đã phát hiện Bằng cách đo và chuyển đổi giá trị đầu ra analog và có thể xác định nồng độ cồn hiện tại trong môi trường
Tuy nhiên, cảm biến MQ3 không phải là một phương pháp đo chính xác cho mọi ứng dụng Nó thường được sử dụng để nhận biết mức độ cồn tồn tại trong không khí, thay vì đo đạc chính xác nồng độ cồn Để đạt được độ chính xác cao hơn, cần thực hiện hiệu chuẩn và điều chỉnh cảm biến thích hợp
LCD 16x2 là một loại màn hình hiển thị ký tự được sử dụng rộng rãi trong các mô hình điện tử hay lập trình với kích thước 16 cột và 2 hàng [12]
Màn hình LCD 16x2 được điều khiển bằng một bộ điều khiển bên trong, thông qua các chân đầu vào/đầu ra của màn hình Được kết nối với các thiết bị ngoại vi khác như vi điều khiển, máy tính hoặc các bo mạch khác thông qua giao thức I2C hoặc SPI
Màn hình LCD 16x2 có khả năng hiển thị các ký tự chữ, số, và các ký tự đặc biệt khác như các biểu tượng, dấu phẩy, và dấu chấm Nó cũng có thể hiển thị thông báo và các đoạn văn bản ngắn
Hình 2.10: Màn hình LCD 16x2 Bảng 2.6: Thông số kỹ thuật LCD 16x2 [12]
Chân Ký hiệu Mô tả
1 VSS Chân nối đất cho LCD được kết nối với chân GND của mạch điều khiển trong quá trình thiết kế mạch
2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD được kết nối với chân VCC (5V) của mạch điều khiển trong quá trình thiết kế mạch
3 VEE Điều khiển độ tương phản của LCD
Chân chọn thanh ghi (Register Select) được nối với logic "0" (GND) hoặc logic "1" (VCC) để lựa chọn giữa thanh ghi lệnh IR (ở chế độ ghi) hoặc bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ đọc) khi chân RS kết nối với GND Khi chân RS kết nối với VCC, thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD được chọn và Bus DB0 - DB7 sẽ nối với nó
Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) được nối với logic "0" để LCD hoạt động ở chế độ ghi (write), hoặc nối với logic "1" để LCD ở chế độ đọc (read)
Chân cho phép (Enable) được sử dụng để chấp nhận các lệnh và dữ liệu được đặt lên bus DB0-DB7 Ở chế độ ghi, dữ liệu từ bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi bên trong nó khi xảy ra một xung tín hiệu từ chân E (khi có sự chuyển đổi từ mức cao xuống mức thấp) Ở chế độ đọc, dữ liệu sẽ được LCD đưa ra trên bus DB0-DB7 khi xảy ra cạnh tăng (từ mức thấp lên mức cao) trên chân E, và dữ liệu sẽ được LCD giữ trên bus cho đến khi chân E xuống mức thấp
Tám đường của bus dữ liệu được sử dụng để trao đổi thông tin với MPU (Microprocessor Unit) Có hai chế độ sử dụng cho bus này:
Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền qua tám đường bus, trong đó bit DB7 là bit trọng số cao nhất (Most Significant Bit - MSB)
Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền qua bốn đường bus từ DB4 đến DB7, trong đó bit DB7 là bit trọng số cao nhất (MSB)
Các chế độ này cho phép truyền dữ liệu theo các đường bus tương ứng, tùy thuộc vào yêu cầu và tính linh hoạt của ứng dụng
15 A Nguồn dương cho đèn nền
Mô-đun LCD I2C được thiết kế để đơn giản hóa kết nối giữa màn hình LCD và vi điều khiển bằng cách giảm số chân kết nối Mô-đun này thường được sử dụng để mở rộng khả năng của màn hình LCD 16x2 truyền thống bằng cách triển khai giao tiếp I2C cho phép truyền thông hiệu quả giữa màn hình LCD và vi điều khiển.
Module I2C LCD bao gồm hai thành phần chính: bộ điều khiển I2C và mạch giải mã I2C Bộ điều khiển I2C được sử dụng để tạo ra các tín hiệu I2C để truyền dữ liệu giữa màn hình LCD và vi điều khiển Mạch giải mã I2C được sử dụng để giải mã các tín hiệu I2C để điều khiển màn hình LCD Để sử dụng module I2C LCD, trước tiên cần kết nối module với vi điều khiển thông qua hai chân SCL và SDA Bằng cách sử dụng giao thức I2C, chỉ cần sử dụng hai chân này để truyền dữ liệu giữa module và vi điều khiển
Module GPS NEO-6M là một module GPS thuần túy được sử dụng để xác định, tọa độ và thời gian địa phương Module này được phát triển bởi hãng sản xuất GPS U- BLOX và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT, xe cộ tự động hóa, máy bay không người lái, và các thiết bị định vị khác [9]
Module GPS Neo-6M có khả năng nhận tín hiệu GPS và GLONASS và cho phép xác định vị trí với độ chính xác cao Nó sử dụng ăngten tích hợp để nhận tín hiệu GPS và GLONASS tự các vệ tinh và xử lý tín hiệu bằng chip độc lập
Module này có độ nhạy cao và khả năng nhận tín hiệu trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt như trong tòa nhà hay trong khu vực có nhiều khối lớn Việc cấu hình thông số kết nối GPS, thời gian nhấp nháy LED và mức năng lượng hoạt động của module GPS NEO-6M được thực hiện thông qua phần mềm u-Center Đầu tiên, để thiết lập kết nối, ta cần đảm bảo serial hoạt động ở baudrate 9600 Cổng serial này sẽ được sử dụng để truyền và nhận dữ liệu giữa module GPS và máy tính Tiếp theo, ta có thể cấu hình mức năng lượng kết nối theo nhu cầu sử dụng Mức Max performance (0) yêu cầu module đặt ngoài trời và cung cấp tọa độ chính xác nhất
Các chuẩn giao tiếp
Giao tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit) là một chuẩn giao thức để truyền thông giữa các vi điều khiển, cảm biến và các linh kiện điện tử khác trong một mạch điện tử Đây là một giao thức seri (serial) cổ điển, sử dụng hai dây: một dây dữ liệu (SDA - Serial Data) và một dây xác định (SCL - Serial Clock) Nó được phát triển bởi Philips Semiconductor (hiện tại là NXP Semiconductors) vào năm 1982 và được sử dụng phổ biến trong việc kết nối các thiết bị như cảm biến, bộ điều khiển, và các thiết bị khác với vi điều khiển, vi xử lý, và các thiết bị điện tử khác [19]
Hình 2.16: Hệ thống giao tiếp theo chuẩn I2C
Dây SDA được sử dụng để truyền dữ liệu giữa các thiết bị, trong khi dây SCL được sử dụng để đồng bộ hóa tín hiệu giữa các thiết bị Mỗi thiết bị I2C có một địa chỉ duy nhất được gán, giúp các thiết bị khác nhau truyền và nhận dữ liệu một cách độc lập Địa chỉ I2C có độ dài 7bit và có thể được cấu hình để có thể sử dụng địa chỉ bổ sung 8bit để mở rộng khả năng kết nối mạch
2.4.1.2 Điều kiện START và STOP
START và STOP là những điều kiện bắt buộc phải có khi một thiết bị chủ muốn thiết lập giao tiếp với một thiết bị nào đó trên bus I2C START là điều kiện khởi đầu, báo hiệu bắt đầu của giao tiếp, còn STOP báo hiệu kết thúc một giao tiếp Hình dưới đây mô tả điều kiện START và STOP [19]
Hình 2.17: Giản đồ thời gian có điều kiện START và STOP
Ban đầu, trước khi bắt đầu quá trình giao tiếp, cả hai đường SDA và SCL đều ở mức cao (SDA = SCL = HIGH) Trạng thái này được coi là "bus free" trong giao thức I2C, cho phép chuẩn bị cho một quá trình giao tiếp mới Điều kiện START được tạo ra khi có một chuyển đổi từ mức cao xuống mức thấp trên đường SDA trong khi đường SCL đang ở mức cao (HIGH = 1, LOW = 0) Điều kiện START báo hiệu khởi đầu của một quá trình giao tiếp Điều kiện STOP được tạo ra khi có một chuyển đổi từ mức thấp lên mức cao trên đường SDA trong khi đường SCL đang ở mức cao Cả hai điều kiện START và STOP đều được tạo ra bởi thiết bị chủ - Master Sau tín hiệu START, bus I2C được coi là đang hoạt động (busy) Bus I2C sẽ trở lại trạng thái rỗi, sẵn sàng cho quá trình giao tiếp mới khi nhận được tín hiệu STOP từ thiết bị chủ
Trong giao tiếp I2C, tín hiệu START được dùng để bắt đầu một quá trình Nếu tín hiệu START được lặp lại thay vì tín hiệu STOP, bus I2C vẫn trong trạng thái bận Cả tín hiệu START và tín hiệu START lặp lại đều có chung chức năng khởi tạo giao tiếp.
UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver-Transmitter Đây là một mạch tích hợp được sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi Mặc dù có nhiều giao tiếp mới được phát triển, nhưng UART vẫn được tích hợp trong nhiều vi điều khiển hiện đại Tuy vậy, đo tốc độ và độ tiêu thụ điện của UART không thể so sánh với các giao tiếp hiện đại, nên một số máy tính và laptop đời mới không còn tích hợp cổng UART
Giao tiếp SPI và I2C sử dụng một dây truyền dữ liệu (SDA) và một dây được sử dụng để truyền xung clock (SCL) để đồng bộ giao tiếp Tuy nhiên, UART không sử dụng dây SCL Điều này được giải quyết bằng cách sử dụng truyền UART giữa hai vi xử lý, cho phép mỗi vi xử lý tạo ra xung clock riêng cho chính nó để sử dụng trong quá trình truyền dữ liệu Để bắt đầu quá trình truyền dữ liệu bằng UART, ta gửi đi một bit START, sau đó là các bit dữ liệu và kết thúc quá trình truyền bằng một bit STOP
Hình 2.18: Truyền dữ liệu bằng UART
Khi ở trạng thái chờ, mức điện thế trên đường truyền UART là mức cao (1) Khi bắt đầu truyền, bit START sẽ chuyển từ mức cao xuống mức thấp (0), báo hiệu rằng quá trình truyền dữ liệu sắp diễn ra Sau bit START, ta truyền các bit dữ liệu D0 - D7 (mỗi bit có thể là mức HIGH hoặc mức LOW, tùy thuộc vào giá trị dữ liệu) Sau khi truyền hết dữ liệu, ta có thể sử dụng một bit Parity để kiểm tra tính chính xác của dữ liệu truyền Cuối cùng, ta gửi đi bit STOP để thông báo cho thiết bị nhận rằng các bit đã được gửi xong Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu [20]
2.4.2.2 Các thông số cơ bản trong truyền nhận UART [20]
UART (Máy Thu/Phát Không Đồng bộ Toàn Cầu) là một giao thức truyền nhận không đồng bộ được dùng phổ biến để kết nối và truyền dữ liệu giữa các thiết bị điện tử Các thông số cơ bản của UART gồm:
Tốc độ baud (Baud rate): Đây là tốc độ truyền dữ liệu trong UART, được đo bằng số lượng ký tự (bits) truyền đi trong một giây Ví dụ: 9600 baud, 115200 baud, 230400 baud,… Tốc độ baud phải được cấu hình giống nhau trên cả thiết bị gửi và thiết bị nhận để đảm bảo đồng bộ hóa dữ liệu
Số bit dữ liệu, hay data bits, biểu thị số lượng bit dữ liệu được truyền đi trong một ký tự Giá trị phổ biến thường thấy là 7 và 8 bit Việc lựa chọn số bit dữ liệu phải phù hợp với mục đích sử dụng cụ thể.
Bit dừng (Stop bit): Đây là một bit có giá trị logic cao được sử dụng để chỉ kết thúc mỗi ký tự truyền đi Các giá trị thông thường là 1 bit hoặc 2 bit dừng
Kiểm tra:** Kiểm tra dữ liệu truyền đi để phát hiện lỗi, với các tùy chọn bao gồm không kiểm tra, kiểm tra chẵn (số bit 1 chẵn) hoặc kiểm tra lẻ (số bit 1 lẻ).**Điều khiển luồng:** Quản lý tốc độ truyền dữ liệu giữa các thiết bị gửi và nhận để ngăn quá tải và đảm bảo truyền tải chính xác.
UART đảm bảo độ ổn định trong quá trình truyền dữ liệu giữa 2 thiết bị Các phương pháp kiểm soát luồng thông dụng gồm: không kiểm soát (none), kiểm soát bằng phần cứng và kiểm soát bằng phần mềm.
Tổng quan về web server
2.5.1 Khái niệm về web server
Web server là một trong những khái niệm cơ bản trong lĩnh vực công nghệ thông tin, đặc biệt là lĩnh vực phát triển web Một phần mềm hoặc máy chủ chịu trách nhiệm xử lý yêu cầu từ các máy tính khác (còn được gọi là client) thông qua giao thức mạng như HTTP (Hypertext Transfer Protocol) hoặc HTTPS (HTTP Secure) Đây là nơi lưu trữ và quản lý các trang web, ứng dụng web và các tập tin liên quan, cung cấp chúng cho người dùng qua internet [10]
Web server hoạt động bằng cách nhận các yêu cầu từ trình duyệt web của người dùng, sau đó xử lý yêu cầu này và trả về nội dung tương ứng Yêu cầu này có thể là yêu cầu truy cập trang web cụ thể, tải về tệp tin, thực hiện các hoạt động như gửi dữ liệu qua mạng ví dụ như trang web, hình ảnh, tệp tin CSS hay javascript, nó sẽ gửi yêu cầu đến web server Web server sẽ nhận yêu cầu này và trả về tài nguyên được yêu cầu thông qua giao thức HTTP Quá trình này được gọi là truyền thông giữa trình duyệt và web server
Một web server thường chứa nhiều trang web khác nhau, mỗi trang web lại được lưu trữ trong một thư mục riêng biệt trên máy chủ Sự phân biệt giữa các trang web được thực hiện dựa trên địa chỉ IP và tên miền Khi người dùng truy cập một trang web bằng cách nhập địa chỉ URL vào trình duyệt, trình duyệt sẽ gửi yêu cầu tới web server liên kết với tên miền của trang web đó Web server sau đó thực hiện việc tìm kiếm các tài nguyên được yêu cầu trong thư mục tương ứng của trang web và chuyển gửi chúng đến trình duyệt của người dùng
Một web server thường được cài đặt trên một máy chủ và được liên kết với một địa chỉ IP duy nhất Tất cả các yêu cầu được gửi đến địa chỉ IP này sẽ được chuyển đến web server và được xử lý Ngoài ra, một số web server còn có khả năng quản lý các yêu cầu được gửi đến nhiều địa chỉ IP và xử lý chúng trên nhiều máy chủ khác nhau
Một số web server phổ biến hiện nay bao gồm Apache, Nginx, Microsoft IIS, và Lighttpd Các web server này có thể được cài đặt trên các hệ điều hành phổ biến như Windows, Linux, hay MacOS Các web server này cũng hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình web phía server như PHP, python, ruby, java,…
Web server không chỉ đơn giản là cung cấp tài nguyên cho trình duyệt web, mà còn có thể được sử dụng để cung cấp các dịch vụ phức tạp như lưu trữ dữ liệu, chia sẽ trả lời các câu hỏi phức tạp như xử lý và phân tích dữ liệu, tích hợp với các hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu, bảo mật và kiểm soát truy cập người dùng
Một tính năng quan trọng của web server là khả năng tương tác với ứng dụng web Các ứng dụng web có thể được lưu trữ trên máy chủ và được web server chạy và cung cấp dịch vụ cho người dùng Các ứng dụng web này có thể được viết bằng các ngôn ngữ lập trình như PHP, Ruby, Python,…, hoặc được phát triển bằng các nền tảng web như WordPress, Drupal,
Ngoài ra, web server cũng có thể được tích hợp với các công nghệ khác để cung cấp các tính năng mở rộng như các ứng dụng web, chẳng hạn như các dịch vụ điện toán đám mây, các công nghệ phân tán như Docker và Kubernetes, các công nghệ bảo mật như SSL/TLS,…
2.5.2 Nguyên lý hoạt động của web server
Web server hoạt động như một cầu nối giữa máy tính của người dùng và ứng dụng web Khi một người dùng truy cập vào một trang web, trình duyệt web sẽ gửi yêu cầu HTTP đến web server Yêu cầu này bao gồm thông tin về trang web được yêu cầu, chẳng hạn như địa chỉ URL và phương thức HTTP
Máy chủ web tiếp nhận yêu cầu này và xác định tài liệu cần truy xuất Tài liệu này có thể bao gồm các trang web tĩnh (như HTML, CSS, Javascripts) hoặc các ứng dụng web được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình động như PHP, Ruby, Python.
Sau khi xác định tài liệu cần truy xuất, máy chủ web sẽ gửi yêu cầu đến máy chủ ứng dụng hoặc hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu Từ đó, máy chủ ứng dụng sẽ tạo ra một trang web động và gửi trả về cho trình duyệt web của người dùng.
Web server có thể hoạt động trên nhiều nền tảng phần cứng và phần mềm khác nhau Các nền tảng phần cứng có thể bao gồm các máy tính chủ, các thiết bị lưu trữ mạng, các bộ định tuyến Các web server cũng có khả năng quản lý các yêu cầu từ nhiều người dùng cùng một lúc Nó tạo ra các phiên bản làm việc cho các yêu cầu của mỗi người dùng và cung cấp tài nguyên cần thiết để xử lý các yêu cầu này
Hình 2.19: Hoạt động của HTTP
Web Client là giao diện phía người dùng đầu cuối (Client), dùng để tạo ra giao diện tương tác với người dùng đối với ứng dụng web (User Interface)
Các công nghệ/ngôn ngữ lập trình hỗ trợ cho web client:
Công nghệ: Photoshop, Flash, Sliver Light,
Ngôn ngữ: HTML, css, javascript, Để đọc được các trang web của ứng dụng web trên máy người dùng phải cài các trình duyệt như FireFox, IE, Chrome,
2.5.4 Các giao thức sử dụng trên web server
HTTP là chữ viết tắt từ HyperText Transfer Protocol (giao thức truyền tải siêu văn bản) Nó là một trong những giao thức truyền tải dữ liệu phổ biến nhất Internet Nó được sử dụng để truyền tải các tài nguyên web từ web server đến web client (trình duyệt web) trên mạng Internet [21]
Giao thức HTTP sử dụng mô hình yêu cầu/đáp ứng Khi client web gửi yêu cầu HTTP tới web server, yêu cầu chứa các thông tin như địa chỉ URL, phương thức HTTP Web server tiếp nhận yêu cầu, xử lý và trả về phản hồi HTTP chứa mã trạng thái HTTP, thông tin phản hồi và nội dung tài nguyên.
HTTP: Sử dụng các phương thức HTTP để xác định cách thức truyền tải dữ liệu web server và web client Các phương thức HTTP phổ biến nhất bao gồm:
GET: Yêu cầu một tài nguyên web từ server Dữ liệu được truyền tải trong phần thân của phản hồi HTTP
POST: Gửi dữ liệu từ web client đến web server Dữ liệu được truyền tải trong phần thân của yêu cầu HTTP
PUT: Cập nhật một tài nguyên web đã tồn tại đến web server Dữ liệu được truyền tải trong phần thân của yêu cầu HTTP
DELETE: Xóa một tài nguyên web trên web server
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
Thiết kế sơ đồ khối
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống
Khối xử lý trung tâm: Trung tâm điều khiển hoạt động của toàn hệ thống Nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý sau đó chuyển tín hiệu đến các khối đầu ra, tiếp theo dữ liệu được gửi lên server
Khối cảm biến: Có chức năng đo nồng độ cồn trong cabin lái và nhận diện trạng thái của mắt, khuôn mặt
Khối cảnh báo: Bao gồm còi buzzer, đèn LED có chức năng báo hiệu khi phát hiện nồng độ cồn hoặc cảnh báo ngủ gục
Khối màn hình hiển thị: Gồm 1 màn hình 7 inch và 1 LCD 16x2, có chức năng hiển thị frame Camera xử lý ảnh của tài xế và thống báo nếu có nồng độ cồn trong cabin Khối nguồn: Có chức năng cấp nguồn cho toàn hệ thống
Khối thông báo: Nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm để gửi thông báo lên server
Khối vị trí trực tiếp: Xác định vị trí trực tiếp và gửi lên server
Khối Server: Server trung gian, nhận thông báo và hiển thị lên trang web quản lý Khối giao diện web: Trang web quản lý, hiển thị các thông báo
Khối Relay: Can thiệp vào việc khởi động xe thông qua một Relay.
Thiết kế từng khối
3.2.1 Khối xử lý trung tâm
Khối sử dụng Raspberry Pi 4B và ESP32 làm trung tâm xử lý của mạch Máy tính nhúng Raspberry Pi 4B được cấp nguồn 5V/3A riêng qua cổng USB type C, ESP32 được cấp nguồn 5V Khối có chức năng chính là nhận và xử lý các tín hiệu từ các khối khác trong hệ thống
Chân 2, 30, 34 được sử dụng để cấp nguồn và đất cho Module cảm biến nồng độ cồn MQ-3 cũng như khối cảnh báo
Chân 32 dùng để giao tiếp với Module cảm biến nồng độ cồn với việc sử dụng giao tiếp số (digital interface)
Chân 12, 22, 38, 40 được dùng kết nối với khối cảnh báo
Chân 13, 11 dùng để điều khiển relay và đọc trạng thái của xe
Chân 3, 5 được dùng để làm chân giao tiếp với I2C
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý cho Raspberry Pi 4B
3.2.2 Khối vị trí trực tiếp
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý cho ESP32 - GPS NEO 6M
Với ESP32 được kết nối với cấp nguồn riêng qua mạch hạ áp Hai chân 27, 28 có tên TX và RX để giao tiếp với module GPS
Cảm biến định vị NEO-6M là cảm biến được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng định vị vị trí Khối có chức năng kiểm tra và giám sát vị trí trực tiếp của thiết bị, sau đó cập nhật lên bản đồ Nhóm sử dụng cảm biến định vị NEO-6M vì nó cho tốc độ định vị vị trí nhanh và chính xác, dễ dàng sử dụng, thời gian đáp ứng nhanh
Khối cảnh báo trên thiết bị kết nối Raspberry Pi 4B được tích hợp đèn LED, còi báo động và các nút nhấn trực tiếp kết nối với chân GPIO Khi hệ thống xử lý trung tâm phát cảnh báo, các thành phần này sẽ phát tín hiệu tương ứng để thông báo người dùng biết.
Hình 3.4: Sơ dồ nguyên lý khối cảnh báo
Nhóm đã sử dụng còi buzzer để thông báo khi có sự cố Còi buzzer giá thành rẻ, tần số âm thanh có thể được kiểm soát giúp ta tạo ra nhiều hiệu ứng âm thanh
Khối được cấp nguồn 5V từ Raspberry
Chọn Q1 là transistor loại NPN có tên là 2SC1815 để điều khiển hoạt động của còi buzzer bằng cách mở và đóng dòng điện thông qua nó
Bên cạnh đó còn có LED giúp tạo hiệu ứng ánh sáng khi có thông báo Và các nút nhấn để tài xế xác nhận trạng thái đã bình thường lại chưa
3.2.4 Khối cảm biến và nhận diện trạng thái khuôn mặt
Khối cảm biến bao gồm các cảm biến nồng độ cồn, và Module PiCamera
Cảm biến MQ3 là một lựa chọn phổ biến với giá thành rẻ, độ chính xác tương đối cao và thời gian đáp ứng nhanh Nó thích hợp cho các ứng dụng đo nhiệt độ và độ ẩm trong các cabin lái xe hoặc môi trường tương tự Giao tiếp với vi điều khiển thông qua chuẩn One Wire, cảm biến MQ3 giúp đơn giản hóa quá trình kết nối và đọc dữ liệu từ cảm biến Một ưu điểm đặc biệt của cảm biến MQ3 là có bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp, cho phép việc đọc dữ liệu từ cảm biến trở nên dễ dàng hơn Cảm biến có nhiệm vụ đo nồng độ cồn trong không khí, nếu phát hiện được nồng độ cồn trong không khí thì sẽ gửi tín hiệu Digital về cho khối xử lý trung tâm Ngoài ra, cảm biến MQ3 cũng có độ bền cao và tiêu tốn năng lượng thấp, điều này làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng di động hoặc trong môi trường có nguồn năng lượng hạn chế
Camera được sử dụng để phát hiện trạng thái chuyên dùng trong hệ thống nhận diện khuôn mặt với tốc độ đáp ứng nhanh và độ nhạy cao
Sơ đồ nối dây của khối cảm biến được thể hiện trong hình cụ thể như sau:
Hình 3.5: Khối cảm biến nồng độ cồn
Với cảm nồng độ cồn, chân 1 và 2 lần lượt nối nguồn cấp 5V và nối đất GND trên Raspberry Pi Đầu ra chân 3 – D0 của cảm biến lửa nối với chân 32 của Raspberry Pi
Camera được nối với cổng CSI trên Raspberry Pi thông qua dây cáp CSI FFC, có chức năng giám sát tình trạng khuôn mặt người lái, nếu người lái có dấu hiệu ngủ gục như nhắm mắt quá 2 giây và Camera không nhận diện được khuôn mặt người lái trong
4 giây thì chương trình chạy với Camera sẽ gửi tín hiệu về cho khối xử lý trung tâm
3.2.5 Khối hiển thị màn hình
Mô hình sử dụng một màn hình LCD 16x2 để hiển thị thông tin về nồng độ cồn Raspberry sẽ nhận các tín hiệu từ khối cảm biến và hiển thị lên màn hình LCD
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị màn hình (LCD)
Khối được cấp nguồn 5V và các chân được nối trực tiếp với GPIO của Raspberry
Bên cạnh đó, mô hình còn sử dụng một màn hình 7inch để hiển thị frame kết quả từ chương trình xử lý hình ảnh để tài xế có thể nắm bắt Màn nhình này được kết nối với Raspberry Pi qua cổng Micro HDMI, và cấp nguồn bằng cổng USB
Hình 3.8: Màn hình hiển thị raspberry 7inch
3.2.6 Khối nguồn và Khối relay
Máy tính nhúng Raspberry Pi 4B được cấp nguồn riêng qua USB type-C bằng bộ cấp nguồn 5V/3A cũa hãng sản xuất
Hình 3.9: Khối nguồn và Khối relay
Dòng tiêu thụ của Raspberry bao gồm các chân và màn hình IRAS là 2A
Dòng tiêu thụ của ESP32 IESP32 là 80mA
Dòng tiêu thụ của còi buzzer Icoi là 25mA
Dòng tiêu thụ của cảm biến GPS NEO-6M IGPS là 50mA
Dòng tiêu thụ của khối hiển thị màn hình LCD là 120mA
Dòng tiêu thụ của Relay IR là 80mA
Dòng tiêu thụ của động cơ motor mô phỏng việc khởi động của xe IM là 140mA Vậy dòng tiêu thụ của toàn mạch là:
Tính toán dòng tối thiểu là 2,520mA nên sử dụng nguồn 5V 3A cung cấp điện áp từ nguồn 12V 2A Mạch giảm áp MP1584 được sử dụng để giảm điện áp từ 12V xuống 5V, đảm bảo ngõ ra 5V 2A.
Khối relay gồm 1 Relay 5V được kết nối với nguồn 5V qua module hạ áp cùng với chân IN được kết nối đến chân 13 của Raspberry Pi nhằm mục đích điều khiển trạng thái Relay Bên cạnh đó, có một Motor và một công tắc để mô phỏng việc khởi động của xe
Chương trình sử dụng chân GPIO 11 của Raspberry Pi để đọc trạng thái hoạt động của động cơ Để đảm bảo điện áp vào chân GPIO 11 ở mức an toàn 3,3V, mạch chia điện áp (voltage divider) được sử dụng để giảm điện áp đầu vào.
Nhóm sử dụng thư viện socket-client, giao thức socket send và các tiền tố của thông báo trên ngôn ngữ Python để gửi thông báo lên Server để qua đó hiển thị lên WEB khi phát hiện được nồng độ cồn trong không khí hoặc dấu hiệu ngủ gục như mắt nhắm quá 2 giây, không phát hiện được khuôn mặt tài xế như khối cảm biến đã phát hiện
3.2.8 Khối giao diện web và Server
Nhóm sử dụng ngôn ngữ lập trình HTML để có thể tạo một trang web quản lý, hiển thị các thông báo từ các thiết bị theo thời gian thực với độ trễ rất nhỏ (tính theo mili giây).Sử dụng ngôn ngữ JavaScript và Node.js - một nền tảng được xây dựng trên V8 JavaScript Engine – trình thông dịch thực thi mã JavaScript để xây dựng máy chủ web socket Dữ liệu về các thông báo sẽ được gửi lên websocket sau đó sẽ được hiển thị lên trang web quản lý Dữ liệu sẽ được phân biệt và hiển thị chính xác bằng cách sử dụng các tiền tố có trong thông báo
3.2.9 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Dưới đây là sơ đồ nguyên lý toàn mạch thể hiện tất cả các khối và kết nối với nhau và nối vào Raspberry
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
3.2.10 Nguyên lý hoạt động của mạch
Thi công phần cứng
3.3.1.1 Các bước thi công phần cứng gồm:
Mạch in được thiết kế trên phần mềm EasyEDA
Thực hiện và tiến hành thi công mạch
Sau khi thi công xong, sẽ dùng đồng hồ VOM để kiểm tra ngõ vào, ngõ ra để kiểm tra có lỗi trong lúc thi công hay không
Hình 3.11: Sơ đồ bố trí linh kiện ở mặt trước
Hình 3.12: Sơ đồ đi dây mặt sau
Hình 3.13: Sơ đồ linh kiện báo vị trí
Sau khi thiết kế mạch sẽ đến công đoạn làm mạch được in ra board đồng, cần kiểm tra các đường mạch đã nối với nhau như thiết kế ban đầu chưa Sử dụng mũi khoan phù hợp với kích thước chân cho từng linh kiện để việc sắp xếp linh kiện lên mạch và hàn mạch được thuận tiện và chính xác
3.3.1.3 Thống kê linh kiện được sử dụng trong hệ thống
Bảng 3.1: Linh kiện sử dụng trong mô hình
STT Tên linh kiện Số lượng
4 Cảm biến nồng độ cồn MQ-3 1
Mô hình kiến trúc được chế tác từ chất liệu nhựa cứng, dễ dàng tìm mua tại các cửa hàng sách hoặc linh kiện điện tử Khổ vật liệu đa dạng, đáp ứng các nhu cầu sử dụng khác nhau.
Hình 3.14: Mô hình đóng gói
Sau khi làm xong phần đầu của xe thì nhóm tiếp tục làm tiếp phần cabin, các khung và giá để đặt Camera, còi, led báo động và nút nhấn
Hình 3.15: Phía cabin của xe
Cuối cùng, nhóm sẽ gắn màn hình 7 inch và một công tắc kèm motor để tượng trưng cho việc khởi động xe
Hình 3.16: Hoàn thiện chạy mô hình Đóng gói bộ điều khiển
Sau khi thi công, kiểm tra, lắp ráp và hàn các board mạch của hệ thống, nhóm tiến hành đóng gói bộ điều khiển như hình sau:
Lập trình phần mềm
3.4.1 Lưu đồ giải thuật cho vi điều khiển
3.4.1.1 Lưu đồ giải thuật cho ESP32
Hình 3.17: Lưu đồ thuật toán cho ESP32
Lưu đồ giải thuật của ESP32 cho ta thấy khi bắt đầu hoạt động thì khởi động ESP32, module vị trí GPS NEO-6M, kết nối wifi của người dùng Nếu kết nối thất bại thì chương trình sẽ quay lại bước khởi động Sau khi đã khởi động xong sẽ tiến hành đọc tọa độ vị trí của module vị trí Sau đó tiến hành gán dữ liệu vào biến data, sau đó gửi data, tọa độ lên web và mySQL Quy trình sẽ được quay lại, tiến hành đọc dữ liệu và gửi dữ liệu lên web cho đến khi dừng thu thập dữ liệu từ tài nguyên
3.4.1.2 Lưu đồ giải thuật cho Raspberry
Hình 3.18: Lưu đồ giải thuật cho chương trình phát hiện ngủ gục
Chương trình bắt đầu bằng việc khởi tạo các thư viện và biến cần thiết cho quá trình thực thi Sau đó, nó thiết lập GPIO (General Purpose Input/Output) và GStreamer để làm việc với video streaming Chương trình tiếp tục mở và cấu hình webcam với độ phân giải mong muốn và thiết lập kết nối đến một WebSocket server để gửi thông báo đến một ứng dụng web Sau khi chuẩn bị xong, chương trình chuyển sang việc xác định khuôn mặt trong các khung hình Nó theo dõi thời gian khi không có mắt trong khung hình và thời gian khi mắt đang nhắm, kích thích các biến liên quan đến nhận diện khuôn mặt Chương trình sau đó bắt đầu một vòng lặp chính trong đó nó liên tục đọc các khung hình từ webcam và nhận diện khuôn mặt trong các frame đó Nếu không có mắt được phát hiện trong một khoảng thời gian dài hoặc nếu mắt đóng quá lâu, chương trình gửi thông báo đến server thông qua WebSocket và kích thích các thiết bị như LED và buzzer
Kết quả được hiển thị trực tiếp lên màn hình với các điểm mô phỏng vị trí của mắt Cuối cùng, chương trình kiểm tra điều kiện thoát và giải phóng tài nguyên trước khi kết thúc chương trình
3.4.1.3 Lưu đồ giải thuật cho chương trình phát hiện nồng độ cồn
Hình 3.19: Lưu đồ giải thuật cho chương trình phát nồng độ cồn Đầu tiên, chương trình khởi tạo và cấu hình các GPIO để kết nối và điều khiển cảm biến cồn, relay, buzzer và màn hình LCD.Sau đó, chương trình chuyển sang giai đoạn chính, trong đó nó thực hiện một vòng lặp liên tục để theo dõi giá trị từ cảm biến cồn
Nếu cảm biến phát hiện không có cồn, chương trình hiển thị thông điệp trên màn hình LCD Ngược lại, nếu cồn được phát hiện, chương trình cảnh báo và bật buzzer để cảnh báo tình trạng nguy hiểm
Chương trình cũng kiểm tra trạng thái của relay và và ngăn motor khởi động nếu motor chưa khởi động Cuối cùng, chương trình xử lý các ngoại lệ và giải phóng tài nguyên khi kết thúc thực thi
3.4.2 Lưu đồ giải thuật web server
Hình 3.20: Lưu đồ giải thuật gửi dữ liệu lên web server
Chương trình server.js được viết bằng Node.js, sử dụng thư viện Express và WebSocket để tạo một máy chủ web đơn giản Máy chủ này cho phép truyền thông giữa máy chủ và các máy khách kết nối thông qua giao thức WebSocket.
Khi chương trình bắt đầu, nó import các thư viện cần thiết và khởi tạo máy chủ Express, máy chủ WebSocket để phục vụ trang HTML Sau đó, chương trình thiết lập endpoint để trả về tệp HTML khi có yêu cầu từ máy khách.
Khi có kết nối WebSocket mới được thiết lập, chương trình lắng nghe và xử lý các thông điệp từ máy khách và sau đó broadcast thông điệp đó đến tất cả các kết nối WebSocket khác Quá trình này lặp lại, giúp chương trình duy trì một kênh liên lạc linh hoạt giữa máy chủ và tất cả các máy khách kết nối
Cuối cùng, khi chương trình kết thúc, nó dừng lại và chấm dứt hoạt động của máy chủ Chương trình server.js đóng vai trò là trung tâm giao tiếp, cho phép truyền tải thông điệp giữa các thành phần khác nhau của hệ thống thông qua giao thức WebSocket
Hình 3.21: Khối mô hình giám sát và hiển thị thông báo
Trước khi bắt đầu thiết kế mô hình giám sát, ta cần xây dựng một phương thức để thu thập dữ liệu từ thiết bị và gửi về Server Việc trao đổi dữ liệu giữa thiết bị và Server, sau đó hiển thị lên trang web HTML được thực hiện bằng cách tạo một thông điệp văn bản (message) với các tiền tố như "Thiết bị 1:",… để giúp máy chủ nhận diện nhanh chóng xác định nguồn thông điệp và thực hiện các xử lý cụ thể tùy thuộc vào loại thiết bị hoặc sự kiện Điều này được sử dụng để thực hiện việc quản lý và theo dõi nhiều thiết bị và sự kiện khác nhau
Sau khi nhận được dữ liệu, Server truyền thông báo lên web HTML truyền dữ liệu theo dạng Broadcast lên WebSocket Khi có thông điệp từ máy chủ, trình duyệt lắng nghe sự kiện "message" trên đối tượng WebSocket và xử lý các thông điệp được nhận Sau đó trang web HTML thực hiện phân loại thông báo bằng các tiền tố để có thể hiển thị chính xác các thông báo
Bước tiếp theo là xây dựng hệ thống Web bằng HTML, bao gồm mã JavaScript để lắng nghe WebSocket và cập nhật nội dung trang khi có thông báo mới.
3.4.3 Phần mềm xây dựng cơ sở dữ liệu
Node.js, một môi trường thực thi JavaScript dựa trên động cơ V8 của Google Chrome, đã đưa ngôn ngữ này ra khỏi giới hạn của trình duyệt web và mở rộng khả năng sử dụng của nó đến phía máy chủ Nền tảng này phát triển vào năm 2009 bởi Ryan Lienhart Dahl và chạy trên nhiều hệ điều hành như Microsoft Windows, Linux, OS X Điều nổi bật nhất ở Node.js là sự chuyển đổi sang mô hình lập trình dựa trên sự kiện và không chặn, giúp ứng dụng xử lý đồng thời nhiều kết nối mà không làm giảm hiệu suất
Sự kết hợp của Node.js với động cơ V8 không chỉ đảm bảo tốc độ thực thi mã JavaScript nhanh chóng mà còn cho phép sử dụng các tính năng mới của ECMAScript Đặc tính đa nền tảng của Node.js cho phép phát triển ứng dụng trên cả máy chủ và trình duyệt, đồng thời sử dụng npm (Node Package Manager) để quản lý và chia sẻ các thư viện và công cụ dễ dàng, giúp quá trình phát triển ứng dụng hiệu quả hơn.
Hướng dẫn sử dụng, thao tác
Bước 1: Cấp nguồn 12V cho motor, relay và 5V cho Raspberry để mô hình hoạt động, chờ thời gian để tất cả các linh kiện hoạt động ổn định
Bước 2: Muốn kiểm tra tạng thái hoạt động của xe thì có một màn hình LCD hiển thị trạng thái hoạt động và nồng độ cồn Bên cạnh đó có một màn hình 7inch giúp tài xế quan sát được vị trí của mình trong Camera, tránh trường hợp sai vị trí dẫn đến thông báo lỗi Đối với quản lý:
Truy cập vào trang web được tạo để quản lý các thông báo và xem vị trí hiện tại của xe và có thể tùy ý xuất dữ liệu thông báo của xe
Chương trình theo dõi mắt sau khi dừng thì sẽ tạo một file AVI, có thể được trích xuất bằng cách truy cập phần cứng.
Kết quả, nhận xét và đánh giá
Sau khoảng 15 tuần nghiên cứu và thực hiện đề tài dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Linh Nam, nhóm đã hoàn thiện được đề tài, giải quyết các vấn đề cần thiết cho mô hình để có thể đưa vào việc sử dụng trong thực tiễn và đạt được một số yêu cầu đã đề ra:
Tiếp cận, thực hiện và hoàn thiện mô hình giám sát, quản lý xe thông qua mạng GPRS
Biết được cách xây dựng cơ sở dữ liệu, truyền nhận dữ liệu giữa thiết bị phần cứng và web server
Xây dựng giao diện web server để giám sát, quản lý thiết bị và một số cơ sở dữ liệu
Hiểu được nguyên lý hoạt động của các thiết bị phần cứng như các cảm biến nồng độ cồn
Hiểu được nguyên lý hoạt động của các module như module module định vị vị trí, các board raspberry, ESP32
Lập trình cho board raspberry, ESP32 giao tiếp với các thiết bị ngoại vi
3.6.1.1 Kết quả chạy mô hình
Sau khi thiết kế, thi công và lập trình, nhóm đã đạt được một số kết quả sau:
Khi mô hình LCD phía trước xe sẽ hiển thị trạng thái nồng độ cồn mà cảm biến phát hiện được Với hình trên hàng trên sẽ thông báo xe có được khởi động hay không, còn hàng dưới hiển thị cảnh báo phát hiện nồng độ mà cảm biến đã đo Đồng thời, hệ thống sẽ gửi thông báo về trang quản lý để cảnh báo nồng độ cồn
Hình 3.30: Cảnh báo phát hiện nồng độ cồn
Camera để quan sát theo dõi trạng thái mắt
Hình 3.31: Camera quan sát trạng thái mắt
Màn hình 7inch quan sát trạng thái mắt khi lái xe
Hình 3.32: Màn hình quan sát trạng thái mắt
Khi phát hiện mắt rơi vào trạng thái ngủ gật hoặc không phát hiện được mắt trong khoảng thời gian 3 giây đến 4 giây thì sẽ phát ra tín hiệu còi và led cảnh báo Khi người dùng muốn tắt cảnh báo thì Camera phải phát hiện vùng mắt đồng thời nhấn nút nhấn để tắt cảnh báo Nếu rơi vào trạng thái cảnh báo thì dữ liệu sẽ được gửi về trang quản lý để cho người quan lý theo dõi
Hình 3.33: Hệ thống cảnh báo khi rơi vào trạng thái ngủ
Các chương trình sử dụng các loại ngôn ngữ như HTML, css, php
Hình 3.34: Giao diện chính của web quản lý
Giao diện chính sẽ bao gồm tên trường, lớp, giảng viên hướng dẫn và sinh viên thực hiện, đồng thời cũng hiển thị các thông báo sẽ quản lý
Hình 3.35: Thông tin về cảnh báo hiển thị trên web
Web sẽ quản lý vị trí của xe, các thông báo về trạng thái nồng độ cồn của xe và tình trạng của tài xế
Hình 3.36: Quản lý các cảnh báo trên web
Hình 3.37: Địa chỉ vị trí xe di chuyển
3.6.2 Nhận xét và đánh giá
Sau khoảng 15 tuần nghiên cứu và thực hiện đề tài, mạch cơ bản đã đáp ứng được một số yêu cầu thiết kế ban đầu Dưới đây là một số nhận xét sau: Ưu điểm
Hệ thống có thể được quản lý bất kỳ nơi đâu
Có thể giám sát tài xế qua web server
Khi phát hiện sai phạm hệ thống sẽ cảnh báo qua web server
Quản lý được vị trí của xe qua bản đồ
Giao diện thiết kế dễ sử dụng và đẹp mắt
Hệ thống gửi dữ liệu phụ thuộc vào tốc độ của mạng
Cảm biến vị trí không hoạt động nếu ở bên trong container
Chưa hiển thị được cụ thể nồng độ cồn trong không khí
Camera chưa hoạt động được một cách hiệu quả, chưa phát hiện trạng thái ngủ một cách nhanh và chính xác nhất
Sau khi thi công xong mô hình, nhóm đã vận hành khảo sát thực tế, dưới đây là bảng kết quả đo được sau khi thực nghiệm:
Bảng 3.2: Kết quả khảo sát thực tế
Công việc Số lần Số lần thành công
Thời gian đáp ứng Đánh giá
Cảm biến MQ3 20 19 4 giây Đạt
Cảm biến GPS 4 3 5 giây Đạt
Hiển thị thông số lên webserver 20 20 1 giây Đạt Đánh giá chung Đạt
Qua bảng số liệu trên, nhóm đánh giá hệ thống đạt yêu cầu với những mục tiêu đề ra Mô hình có tính thẩm mỹ, an toàn, và dễ dàng sử dụng Sau thời gian chạy thử, mạch cho thấy sự ổn định Tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế như: nồng độ cồn chưa nhạy hay chất lượng Camera chưa tốt
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Sau khoảng 15 tuần thực hiện đồ án, nhóm đã hoàn thành nhiệm vụ đúng thời gian dự kiến để báo cáo trước hội đồng Nhóm đã thực hiện đề tài đã tạo ra một sản phẩm cụ thể, đó là:
- Mô hình giám sát trạng thái cabin và tài xế xe tải
- Web server để quản lý một số nội dung như nồng độ cồn hay ngủ gật
Sau thời gian nghiên cứu và thi công, nhóm đã thực hiện được công việc như thiết kế, xây dựng phần cứng, viết giao diện quản lý, xây dựng cơ sở dữ liệu cho hệ thống Hiểu được cách lập trình Raspberry, ESP32, hiểu cơ bản về cơ chế và cách thức hoạt động lập trình web server Từ những yêu cầu đặt ra đó, nhóm đã đạt được một số yêu cầu sau:
- Kết quả thi công hoàn thiện
- Hệ thống chạy tương đối ổn định
- Giao diện web server thân thiện và dễ dàng sử dụng Có thể quản lý được một số thông số theo yêu cầu
- Độ phản hồi của hệ thống cảm biến tương đối nhanh Để đảm bảo sự ổn định, độ bền và tính thực tế cho sản phẩm, nhóm có một số kiến nghị hướng phát triển hệ thống như sau:
- Sử dụng module định vị vị trí ổn định hơn
- Hoàn thiện hơn về trang web để dễ dàng cho người sử dụng
- Sử dụng nhiều hơn các biện pháp để bảo mật cho hệ thống
- Phát triển thêm một số chức năng trên web, như thêm địa chỉ thông tin thay vì phải sửa trực tiếp trên code
- Bổ sung thêm hệ thống cảnh báo hỏa hoạn
- Sử dụng một số tên miền có độ bảo mật cao
- Bổ sung thêm phần bảo mật cho web
- Sử dụng Camera hồng ngoại để giúp cho việc nhận diện khuôn mặt trở nên tốt hơn trong điều kiện thiếu sáng
[1] Anh Tú (2023) Vận tải khách khởi sắc, vận tải hàng diễn biến trái nghịch, từ https://vneconomy.vn/nua-dau-nam-2023-van-tai-khach-khoi-sac-van-tai-hang-dien- bien-trai-nghich.htm
[2] Công ty TNHH đầu tư thương mại MAIKA Thực trạng ngành vận tải việt nam: Cơ hội hay thách thức?, từ http://maika.com.vn/k/thuc-trang-nganh-van-tai-viet- nam-co-hoi-hay-thach-thuc.html
[3] Hữu Thành (25/05/2023) Nguy cơ tai nạn giao thông do sử dụng rượu, bia, từ https://sotttt.tayninh.gov.vn/thong-tin-tuyen-truyen/nguy-co-tai-nan-giao-thong-do-su- dung-ruou-bia-2692.html
[4] Anh Tú (2023) Nhiều mối lo về tai nạn giao thông do xe kinh doanh vận tải gia tăng, từ https://vneconomy.vn/nhieu-moi-lo-ve-tai-nan-giao-thong-do-xe-kinh- doanh-van-tai-gia-tang.htm#:~: ; Linh Chi (2023) 'Khung giờ tử thần' - nỗi ám ảnh với tài xế, từ https://baophapluat.vn/khung-gio-tu-than-noi-am-anh-voi-tai-xe- post494705.html#:~:
[5] Hà Duy (2014) IoT là gì những điều cần biết về IoT Từ https://longvan.net/iot- la-gi-ung-dung-cua-iot-trong-thuc-tien.html
[6] Báo Khoa học công nghệ và phát triển (2015) 4 cấu phần của IoT Từ https://khoahocphattrien.vn/cong-nghe/nhin-internet-of-things-qua-chuoi-cung- ung/20150926124923149p1c859.htm
Nghiên cứu của Nguyễn Tiến Mạnh (2010) tập trung vào việc tìm hiểu các thuật toán hiệu chỉnh nhằm khắc phục những hạn chế trong nhập liệu tự động Trong đó, luận án đã thực hiện cài đặt thử nghiệm bài toán nhập liệu tự động để nhận dạng phiếu điều tra, đóng góp vào việc nâng cao hiệu quả và độ chính xác của quá trình nhập liệu thông tin.
[8] Deviot Tổng quan về esp32, từ https://deviot.vn/tutorials/esp32.66047996/tong-quan-ve-esp32.18482631
[9] Debashis Das (2022) How does a NEO-6M GPS Module Work and How to Interface it with ESP32, từ https://circuitdigest.com/microcontroller- projects/interfacing-neo6m-gps-module-with-esp32
[10] Trịnh Duy Thanh (2022) Web Server là gì? Tìm hiểu cách hoạt động của Web
Server, từ https://bkhost.vn/blog/web-server/
[11] Nguyễn Đức Dũy (2018) Thiết kế và thi công hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà kết hợp Wifi và Lora, Đồ án tốt nghiệp đại học, Trường Đại học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh
[12] Echipkool Giới thiệu cơ bản về LCD 16x2, từ https://www.echipkool.com/2012/09/gioi-thieu-co-ban-ve-lcd-16x2.html
[13] Rajkishore J (2022) How To Connect to MySQL Managed Database via phpMyAdmin, từ https://www.digitalocean.com/community/tutorials/how-to-connect- to-mysql-managed-database-via-phpmyadmin
[14] View location data sent by NEO-6M GPS using ESP32 board (2023), từ https://www.robotique.tech/robotics/view-location-data-sent-by-neo-m6-gps-using- esp32-board/
[15] Giangpth (2018) Web Server là gì? Tìm hiểu cơ chế vận hành của web server, từ https://bizflycloud.vn/tin-tuc/tat-tat-kien-thuc-co-ban-ve-web-server-ban-phai-biet- 20180515115521302.htm