Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Hệ thống giám sát xe tự hành theo line trong kho

TÓM TAT KHÓA LUẬNĐề tài nghiên cứu và xây dựng một hệ thong giam sat danh cho cac xe tu hanh chạy theo line trong kho bãi, bao gồm giám sát tình trạng hoạt động của động cơ, giám sát điệ

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TÍNH

NGUYEN QUOC TIEN

LÊ THANH BÌNH

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

HỆ THÓNG GIÁM SÁT XE TỰ HÀNH THEO LINE

TRONG KHO

MONITORING SYSTEM FOR AUTONOMOUS RC CAR

KỸ SU NGANH KY THUAT MAY TÍNH

TP HO CHi MINH, 2021

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TÍNH

NGUYEN QUOC TIEN - 16521228

LE THANH BINH - 16521633

KHOA LUAN TOT NGHIEP

HE THONG GIAM SAT XE TU HANH THEO LINE

TRONG KHO

MONITORING SYSTEM FOR AUTONOMOUS RC CAR

KỸ SU NGANH KY THUAT MAY TÍNH

GIANG VIEN HUONG DAN THAC Si NGUYEN THANH THIEN

TP HO CHÍ MINH, 2021

THONG TIN HOI DONG CHAM KHÓA LUẬN TOT NGHIỆP

Hội đồng cham khóa luận tốt nghiệp, thành lập theo Quyết định số 64/QD-DHCNTT

ngày 26 tháng 01 năm 2021 của Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghệ Thông tin.

1 TS Đoàn Duy — Chủ tịch.

2 ThS Phan Đình Duy — Thư ký.

3 ThS Trương Văn Cuong — Uỷ viên.

LỜI CẢM ƠN

Quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp là giai đoạn quan trọng nhất trong quãng đời mỗi sinh viên Khoá luận tốt nghiệp là tiền đề nhằm trang bị cho chúng em những kỹ năng nghiên cứu, những kiến thức quý báu trước khi lập nghiệp.

Trước hết, chúng em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô khoa Kỹ thuật Máy

tính Đặc biệt là các Thay, Cô trong bộ môn Nhung va Robot đã tận tinh chỉ dạy va

trang bị cho em những kiến thức cần thiết trong suốt thời gian ngồi trên ghế giảng đường, làm nén tảng cho em có thé hoàn thành được bai luận văn này.

Em xin trân trọng cảm ơn thầy Nguyễn Thanh Thiện đã tận tình giúp đỡ, định hướng cách tư duy và cách làm việc khoa học Đó là những góp ý hết sức quý báu không chỉ trong quá trình thực hiện luận văn này mà còn là hành trang tiếp bước cho

em trong quá trình học tập và lập nghiệp sau này.

Va cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, tập thé lớp KTMT2016, những người luôn sẵn sàng sẻ chia và giúp đỡ trong học tập và cuộc sống Mong rằng, chúng ta sẽ mãi mãi gắn bó với nhau.

Xin chúc những điều tốt đẹp nhất sẽ luôn đồng hành cùng mọi người.

MỤC LỤC

Chương 1 = TONG QUAN DE TÀI -.-22-222222222222+2t222ESEttEEEvrrerrrkrcree 2

LL Thur ác áo 2

1.1.1 Xe tự hành tại công ty CNC VINA Sc2cccsceeierireree 2

1.1.2 Xe tự hành tại công ty TÌPA Street 3 1⁄2 Mục tiêu đề ti cccccessssssseeesssssssseseeesnnnssseeeseessssssseeeesesnsnsssseesseennsssseeeeee) 1.3 Phương pháp thực hiện - - 5+5 2EEEE#k#k# ky 5

1.4 Phạm vi nghiên CỨU - - ¿+ S£SEkEkEk*kEEEET HH HH HH rớy 5

Chương2 CO SỞ LÝ THUYẾT 222c++t2EEEEvvvrrrsrrrrrrrrrree 6 2.1 Giải thuật phát hiện đường thăng — Hough Transform - 6

2.2 OpenCV đế „sế \ Ệ ni 7

2.2.1 Giới thiệu, AW đ, ấề Ệ LỄ son HH iêc 7

2.2.2 Tổng quan : 222222222222222131222211112222111122211112211 111cc 7 2.2.3 Cấu trúc các module của OpenCV c+++2222vvvzcrrzrrrrxx 7 2.3 RSSI và công thức chuyên đổi các giá tri RSSI của BLE Beacon

2.3.1 RSSI, 22222222222 HH n2 eeerree 9

2.3.2 Công suất đo được

2.3.3 Công thức chuyển đổi - -¿ 2222222ccttEEEEkrtrirrrrrrrrrrrrrrrrrrrri 9

2.6.1 Giới thiệu -cc cành 4 2.6.2 Cách thức hoạt động

3.2.2.2 Camera cho Raspberry Pi

3.2.2.3 Arduino Uno RÂ3 - ccccc cv 20

3.2.2.4 Mạch cầu H L298N 22.1221 1102111 1121211211 k2 22

3.2.2.5 Động cơ giảm tốc DC c 22c 2222112221 E2x+2 24

3.2.2.6 Mô-đun cảm biến siêu âm SRF05 2222 S Street 25

3.2.3 Hiện thực xử lý ảnh và xuất tín hiệu điều khiển động cơ 27 3.3 Thiết kế chức năng giám sát tình trạng động cơ . ccz+c+ 29 3.4 Thiết kế chức năng giám sát tiêu thụ điện năng - 30 BAL Sơ đồ khối 2222+ 2222 2222111222111 e 30 3.4.2 Phần cứng -¿-©22V22++222EE2222211122211112221112 222111 e 31

3.4.2.1 Pin sạc Panasonic NCR18650B 3400mAh 3.7V 31

3.4.2.2 Cảm biến dòng MCU-219 INA219 I2C +5 22s 25552 32 3.4.2.3 Mạch nguồn giảm áp DC XL4015 5A +5 55:52 33

3.4.3 Phương pháp xác định điện năng tiêu thụ -. - -c+5<5+ 34

3.5 Thiết kế chức năng giám sat vị trí hoạt động

3.5.1 Sơ đồ khối 2222+ 222 2222211122211 211111 e 35 3.5.2 Phần cứng

3.5.2.1 Mô-đun BLE iBeacon NRF51822 - -.-. 36

3.5.2.2 Mô-đun ESP32 HS ST hy 37

3.5.3 Cách thức hoạt động ¿- - Set tt H01 re 38

3.6 Thiết kế giao diện hiền thị thông tin giám sát : -++ 39 3.6.1 Sơ đồ khối -ccccc22 2E Lrrt.22221111 12111 1 ri 39

3.6.2 Phần cứng 2+¿2222+++tEEEE+ctEEEEEEEEEEEEirEEErrrrrrkrrrrrrrvee 40

3.6.3 Cách thức hoạt động cư Al

Chuong 4 THỰC NGHIỆM VA KET QUẢ -cc:c -cc-5ss2 42

4.1 Xe tự hành dò line dùng xử lý ảnh ¿-¿- -++cc++e+++cseerereree 42 4.2 Giám sát tình trạng động co

4.3 Giám sát tiêu thụ điện năng - ¿+ tk 45

Hình 2.5 Mô hình ứng dụng MQYTTT - ©5555 2t+t+xexekerrekerrrree 3

Hình 2.6 Định dạng gói tin của beacon

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.2 Sơ đồ khối xử lý anh 18

Hình 3.3 Raspberry Pi Model B - ‹- «St St kg it 8

Hình 3.4 Camera Pi V2 8MMP + ST E122 211121202111 1112 HH ưn 20

Hình 3.5 Arduino Uno ÏR3 - - 5-52 2+2+++22*232E2122 2121211111211 E111 krree 20

Hình 3.6 Mạch cầu H L⁄298N -2222:++2222222222222222211111E 22221111 crrrrrrrree 22

Hình 3.7 Schematic mô-đun L298N - + ¿5S E2 ‡£‡*‡EEEekekrrrerrrrkrxee 24

Hình 3.8 Động cơ giảm tốc DC -¿¿-22¿2222+++22EE2++tEEEEEEeEEEEErrtrrrkrrrrrrrrree 24 Hình 3.9 Mô-đun cảm biến siêu âm SR.F0O5 :¿-©2222v22c+zz+222vvvsccccez 25

Hình 3.10 Xử lý ảnh với Pi - ¿+ + 1k HH TT HH it 27

Hình 3.11 Sơ khối giám sát tiêu thụ điện năng -¿¿c++22+zz++czsscee 30

Hình 3.12 Pin sạc Panasonic NCR18650B 5-55 cccsccseseeeesseesesrxesseee2 Ï

Hình 3.13 Cảm biến dòng MCU-219 INA219 I2C -. -222222ccccecccccvvsee 32 Hình 3.14 Mạch nguồn giảm áp DC XL4015 5A -7222ccccccecccvrrcee 34 Hình 3.15 Sơ đồ khối giám sát vị trí .-¿ +222++++22E++rrttrrkxrrrrrrrrrrrrrrrree 35

Hình 3.16 Mô-đun iBeacon - - +52 5252St*srtrkekekekrrrrrrerrrrrrrrrrrerree2

Hình 3.17 Mô-đun ESÌP32 ¿5c t nề HH1 re 38

Hình 3.18 Sơ đồ khối thiết kế giao diện giám sát ¿-©+cz+ccvseverz 40 Hình 3.19 Board mạch iNut cảm biến ccoc22cc2cvvvtrrrrrrrrrrrrrrrirrrrrree 4I Hình 4.1 Kết quả xử lý ảnh dò line l -222:+22222 +22 E222222E2 exrrrrrced 42

Hình 4.2 Kết quả xử lý ảnh đò line 2 -¿-2++++222+++ttEEvvrretrrxvrrerrrsrrrrrg Hình 4.3 Kết quả xử lý ảnh đò line 3 2¿-222+2++2EEEEEttEEEEEerrtrrkrrrrrrkrcee Hình 4.4 Kết quả giám sát tình trạng động cơ l :+cccscccccsscee Hình 4.5 Kết quả giám sát tình trạng động cơ 2 :¿ -c:22v+c++ccvsvreerz Hình 4.6 Kết quả giám sát tiêu thụ điện năng -2¿+2++z++tvrxzerrrrrscee Hình 4.7 Kết quả giám sát vị trí hoạt động -:¿¿©2++++22++zrerrrxrerrrrkseee Hình 4.8 Tổng hợp thông tin giám sát -:-22+¿©V22+++22E++zrttvrxvrrrrrrrree

Hình 4.9 Giao diện giám sát hoàn chỉnh ¿-¿- - 5< 5+S++t+xxersrrtzkererre

DANH MỤC TU VIET TAT

AGV - Automated Guided Vehicle

BLE - Bluetooth Low Energy

MAC Address - Media Access Control Address

MOTT - Message Queue Telemetry Transport

RSSI - Received Signal Strength Indicator

TÓM TAT KHÓA LUẬN

Đề tài nghiên cứu và xây dựng một hệ thong giam sat danh cho cac xe tu hanh

chạy theo line trong kho bãi, bao gồm giám sát tình trạng hoạt động của động cơ,

giám sát điện năng tiêu thụ va vi trí hoạt động của các xe Cac thông tin giám sat

được hién thị trên một Website tự xây dựng có bản phác hoạ thu nhỏ của kho

Thông qua việc tìm hiểu, theo dõi và mô phỏng cách thức hoạt động của các xe tựhành tại các kho xưởng thực tế, nhóm thực hiện dé tài nhận thấy dé giải quyết yêucầu xây dựng hệ thống giám sát thì cần trang bị cho các xe một số mô-đun có các

chức năng theo dõi, đo đạc và liên tục cập nhật các thông số liên quan đến việc vận

hành các xe.

Chương 1 TONG QUAN DE TÀI

Hiện nay trên thị trường đã có những mẫu xe tự hành trong kho xưởng được sử

dụng rat phổ biến Sử dụng xe giúp giảm bớt số lượng nhân công, gia tăng năng suấtcho nhà máy Điền hình là xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle), với một số

chức năng nổi bật như sau:

e Vận chuyền vật liệu nhận được đến khu vực lưu trữ

e Hỗ trợ các hoạt động kiểm tra và giao hàng kịp thời

e Cung cấp các bộ phận đang thực hiện cho các dây chuyên sản xuất

e Vận chuyên thành phẩm đến khu vực đóng gói

Tuy nhiên, số lượng kho bãi ngày càng nhiều và lớn, số lượng xe tự hành trongkho ngày càng tăng, qua đó nhu cầu giám sát xe tự hành trong kho ngày càng cầnthiết Với một hệ thông giám sát từ xa, một người quản lý có thể giám sát được tất cả

xe trong kho một cách nhanh nhất, hiệu quả nhất trong trường hợp kho hàng lớn vànhiều xe tự hành

1.1.1 Xe tự hành tại công ty CNC VINA

Công ty Cổ phần Ứng dụng Công nghệ & CNC Việt Nam thành lập năm 2007,hoạt động trong lĩnh vực chế tạo máy tự động và cung cấp các giải pháp tự động

hóa, dây chuyên sản xuất, lắp ráp, đóng gói tự động, thiết kế chế tao đồ ga, jig,

máy móc, dây chuyên phụ trợ cho ngành công nghiệp 6 tô, xe máy, công nghiệp

điện tử, may mặc Với hơn 13 năm kinh nghiệm, công ty luôn là sự lựa chọn tin

cậy của mọi khách hàng trong và ngoài nước Thông số kỹ thuật và đặc điểm nồi

bật của xe tự hành AGV do CNC-VINA cung cấp: Thiết kế chắc chắn, nhỏ gọn và

linh hoạt, có tải trọng: 200kg, 500kg, 1000kg, 1500kg tùy theo yêu cầu khách hàng

Tốc độ di chuyên 10m/ph tới 50m/ph Di chuyển theo hành trình là đường dẫn

(line) dai băng từ được dán sẵn dưới nền nhà xưởng Thu phát tín hiệu không dây

(RF) Xe kéo hàng tự hành AVG có thê kết nối không dây tạo thành hệ thống giám

sát qua máy tính trung tâm số liệu để hệ thống hoạt động một cách thông minh,

đảm bảo thời gian cấp hàng linh hoạt, tức thời Thân robot AGV được chấn gấp,hàn kết cấu cứng vững và sơn phủ bảo vệ, lắp ráp trong phòng sạch AGV được

Hình 1.1 Xe tự hành trên thị trường

1.1.2 Xe tự hành tại công ty TPA

Công ty cô phần tự động hóa Tân Phát (TPA) chuyên cung cấp giải pháp tự

động hóa, thiết bị công nghiệp và chế tạo máy theo yêu cầu trong các lĩnh vực:Điện - điện tử; sản xuất ôtô, xe máy; thực phâm - đồ uống, hàng tiêu dùng, thức ăn

chăn nuôi và hóa chât Với đội ngũ kỹ sư thiệt kê có nhiêu năm kinh nghiệm, công

ty hoạt động với mục tiêu nâng cao năng suât sản xuât cho các nhà máy với giá

Hình 1.2 Xe tự hành AGV kéo chở hàng

TPA hiện đang là đối tác chiến lược của nhà sản xuất xe tự hành AGV Casun

tại Việt Nam, cung cấp các sản pham, ứng dụng xe tự hành AGV, Robot kéo hang

- Giải pháp tự động vận chuyền hoàn hảo cho nhà máy:

e Ung dụng được thiết kế, phát triển bởi TPA và đối tác

e Công nghệ dẫn đường Magnetic, QR code, Slam.

e Là giải pháp tự động vận chuyền hoàn hảo cho các máy sản xuất, siêu

thị, trung tâm thương mai

e_ Tuyệt đối an toàn, tiết kiệm chỉ phí trong hoạt động và vận hành

1.2 Mục tiêu đề tài

Xây dựng giải pháp giám sát xe tự hành trong kho bãi bao gồm:

e Giám sát tình trạng các xe, kiểm tra máy móc

e Kiểm tra mức tiêu thụ điện năng của từng xe

e Giám sát vi tri xe đang hoạt động.

e_ Giao diện dé quản lý trạng thái của các xe đang hoạt động

1.3 Phương pháp thực hiện

Sử dụng Raspberry Pi xử lý ảnh dò line với sự hỗ trợ của thư viện OpenCV.

Sử dụng mô-đun iNut để cung cấp khả năng giám sát hệ thống thông qua cácphương thức giao tiếp không dây như Wifi, Bluetooth

Sử dụng công nghệ beacon trong việc xác định vị trí.

Sử dụng công cụ lập trình Node-Red đề thiết kế giao diện giám sát, giao diện người

dùng.

Sử dụng mô-đun cảm biến dòng điện phục vụ giám sát tiêu thụ điện năng và tự

động sạc điện.

1.4 Pham vi nghiên cứu

Phạm vi giám sát: Kho xưởng diện tích từ 100 đến 1000 mét vuông

Yêu câu kho bãi có két nôi Wifi.

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYET

2.1 Giải thuật phát hiện đường thang — Hough Transform

Ý tưởng chính của giải thuật phát hiện đường thắng Hough Transform là sử dụngkết quả phát hiện cạnh (phổ biến là Canny Edge Detection) dé tiễn hành phát hiện

đường thang, cụ thé như sau:

e Trên mỗi pixel cạnh (pixel thuộc cạnh được phát hiện trong ảnh), lần lượt thử

các phương trình đường thắng đi qua pixel đó Số phương trình đường thăngđược thử càng nhiều sẽ cho ra kết quả phát hiện đường thang càng tốt (ít bỏ lỡ

đường thăng có trong anh hơn) Pixel cạnh đó sẽ được thêm 1 giá trị vào ma

trận thống kê

e Sau khi duyệt hết tất cả các pixel cạnh, lọc theo một gia tri ngưỡng xác định

trước trên ma trận thong kê dé xác định được các phương trình đường thắng có

trong ảnh.

® Sau khi xác định được các đường thăng, việc còn lại là vẽ các đường thắng

đó lên ảnh, kết quả mình hoa ở hình 2.1

Hình 2.1 Nhận diện đường thăng dùng giải thuật Hough Transform

2.2 OpenCV

2.2.1 Giới thiệu

Project OpenCV được bắt đầu từ Intel năm 1999 bởi Gary Bradski OpenCV

viết tắt cho Open-Source Computer Vision Library OpenCV là thư viện nguồn

mở hàng đầu cho Computer Vision và Machine Learning, và hiện có thêm tínhnăng tăng tốc GPU cho các hoạt động theo real-time

2.2.2 Tổng quan

Ứng dụng: OpenCV được sử dụng cho đa dạng nhiều mục đích và ứng dụng

khác nhau bao gồm:

e Hình ảnh street view.

© Kiểm tra và giám sát tự động

e Robot va xe hơi tự lái.

e Phân tích hình ảnh y học.

e Tìm kiếm và phục hồi hình ảnh/video

e Phim cấu trúc 3D từ chuyển động

Tính năng: Theo tính năng và ứng dụng của OpenCV, có thê chia thư viện này

thành các nhóm tính năng và mô-đun tương ứng như sau:

e Xử lý và hiên thị Hình ảnh/ Video/ I/O (core, imgproc, highgui)

e Phát hiện các vật thé (objdetect, features2d, nonfree)

e Geometry-based monocular hoặc stereo computer vision (calib3d,

stitching, videostab).

e Computational photography (photo, video, superres).

e Machine learning & clustering (ml, flann).

e CUDA acceleration (gpu).

2.2.3 Cau trúc các module của OpenCV

OpenCV có cấu trúc mô-đun, nghĩa là các gói bao gồm một số thư viện liên kết

tinh (static libraries) hoặc thư viện liên kết động (shared libraries) Một số định

nghĩa chi tiêt các m6-dun phô biên có sẵn như sau:

e Core functionality (core): Mô-đun nhỏ gon dé xác định cấu tric đữ liệu

cơ bản, bao gồm mảng đa chiều dày đặc và nhiều chức năng cơ bản được sửdụng bởi tất cả các mô-đun khác

e Image Processing (imgproc): Mô-đun xử lý hình ảnh gồm cả lọc hìnhảnh tuyến tính và phi tuyến tính (linear and non-linear image filtering), phép

biến đổi hình học (chỉnh size, afin và warp phối cảnh, ánh xạ lại dựa trênbảng chung), chuyền đổi không gian màu, biểu đồ, và nhiều cái khác

e Video Analysis (video): Mô-đun phân tích video bao gồm các tính năng

ước tính chuyển động, tách nên, va cách thuật toán theo dõi vật thé

e Camera Calibration and 3D Reconstruction (calib3d): Mô-đun thuật

toán hình học đa chiều cơ bản, hiệu chuẩn máy ảnh single và stereo (singleand stereo camera calibration), du đoán kiểu dang của đối tượng (object poseestimation), thuật toán như tin âm thanh nổi (stereo correspondencealgorithms) và các yếu tô tái tao 3D

e 2D Features Framework (features2d) — phát hiện các đặc tính nổi bậtcủa bộ nhận diện, bộ truy xuất thông SỐ, thông số đối chọi

e Object Detection (objdetect) — phát hiện các đối tượng và mô phỏngcủa các hàm được định nghĩa san — predefined classes (vd: khuôn mặt, mắt,

kính, con người, xe hơi ).

e High-level GUI (highgui) — giao diện dé dùng dé thực hiện việc giao

tiép UI don gian

e Video I/O (videoio) — giao dién dung dé thu và mã hóa video

e GPU - Các thuật toán tăng tốc GPU từ các mô-đun OpenCV khác

e_ Một số mô-đun hỗ trợ khác, vi dụ như FLANN va Google test wrapper,

Python binding, v.v.

2.3 RSSI và công thức chuyển déi các giá trị RSSI của BLE Beacon

2.3.1 RSSI

Đối với Bluetooth, RSSI (Received Signal Strength Indicator) đó là cường độtín hiệu của các beacon khi được thấy trên thiết bị nhận, ví dụ: một chiếc điện thoạithông minh Cường độ tín hiệu phụ thuộc vào khoảng cách và giá trị công suất phátsóng Bluetooth hoạt động với các tín hiệu phát sóng và giá trị công suất phát sóng

là khoảng 2—4 dBm va do đó, cường độ RSSI của tín hiệu sẽ nằm trong khoảng

-26 (vài inch) đến -100 (khoảng cách 40-50 m)

Dé tính toán khoảng cách Bluetooth giữa hai thiết bi được ghép nối, beacon sửdụng một giá trị khác được xác định bởi tiêu chuẩn iBeacon

Do các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến sóng vô tuyến - chang hạn như hap thụ,giao thoa hoặc nhiễu xạ - RSSI có xu hướng dao động Thiết bị càng xa beacon,

RSSI càng trở nên không ổn định

2.3.2 Công suất đo được

Công suất đo được là hang s6 chi doc, duoc hiéu chuan tai nha may cho biétRSSI dự kiến là bao nhiêu ở khoảng cach I mét đến beacon Kết hợp với RSSI, nócho phép ước tính khoảng cách giữa một thiết bị và beacon

Tuy nhiên, có thể thay đổi nó trong các chip thô bằng cách sử dụng Arduino,

v.v nêu có quyên truy cập vào lệnh AT của chip BLE Có một yếu tố khác cũng

ảnh hưởng đến tín hiệu liên tục là khoảng thời gian phát sóng

Beacons không phát sóng liên tục như WiFi Thay vào đó, chúng “nhấp nháy".Khoảng thời gian phát sóng mô ta thời gian giữa mỗi lần “nhấp nháy" Giá trị nằmtrong khoảng từ 100 mili giây đến 2000 mili giây Khoảng thời gian càng ngắn, tinhiệu càng 6n định

2.3.3 Công thức chuyển doi

d=10^(P-RSSD/(10#*N)) (2.1)

Trong đó:

e d là khoảng cách từ nguồn phát sóng đến nguồn thu sóng, đơn vị cm

e plà công suất đo được, đơn vị đBm

e RSSI là cường độ tín hiệu phát sóng của các beacon.

e N là hằng số phụ thuộc vào yếu tô môi trường, phạm vi 2 đến 4 tương

ứng cường độ thấp đến cao

2.4 Hiệu ứng Hall

Ban đầu xét 1 thanh kim loại và sau đó cấp nguồn điện vào 2 đầu của tam kim loại

khi đó sẽ xuất hiện dòng điện đó là dòng dịch chuyên của các electron chạy từ đầunày sang đầu kia của tâm kim loại (hình 2.2)

Sau đó đặt một nam châm điện vuông góc với tam kim loại có cực S gần với tam

kim loại khi đó sẽ làm lệnh các electron khỏi vị trí ban đầu vì cùng dấu thì đây nhaukhác dấu là hút nhau

Nếu coi vị trí ban đầu khi các electron chưa bị địch chuyển là mức 0, khi đó cácelectron bị từ trường của nam châm dịch chuyên khỏi vị trí mốc sẽ là âm còn phía

trên mức 0 sẽ xuất hiện các điện tích dương Lúc này, giữa hai điểm trên sẽ xuất hiện

một điện áp (hình 2.3).

10

Như vậy có thể phát biểu hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi

áp dụng một từ trường vuông góc lên một 1 bảng làm bằng kim loại hay chất dẫn điện

nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chảy qua lúc đó sẽ nhận được một hiệu

điện thế U (hiệu điện thé Hall) sinh ra tại 2 mặt đối diện của thanh Hall

2.5 Server MQTT

2.5.1 Giới thiệu

Đây là một giao thức truyền thông điệp (message) theo mô hình publish subscribe (publish — theo dõi), sử dụng băng thông thấp, độ tin cậy cao và có khảnăng hoạt động trong điều kiện đường truyền không 6n định MQTT là một giaothức nhắn tin gọn nhẹ được thiết kế để liên lạc nhẹ giữa các thiết bị và hệ thống

-máy tính.

Kiến trúc mức cao (high-level) của MQTT gồm 2 phan chính là Broker vàClients Trong đó, Broker được coi như trung tâm, nó là điểm giao của tất cả cáckết nối đến từ Client Nhiệm vụ chính của Broker là nhận message từ publisher,

xêp các message theo hàng đợi rôi chuyên chúng tới một địa chỉ cụ thê Nhiệm vụ

11

phụ của Broker là nó có thé đảm nhận thêm một vài tính năng liên quan tới quátrình truyền thông như: bảo mật message, lưu trữ message, Logs, Client thì được

chia thành 2 nhóm là publisher và subscriber Client là các software components

hoạt động tại edge device nên chúng được thiết kế dé có thé hoạt động một cáchlinh hoạt (lightweight) Client chỉ làm ít nhất một trong 2 việc là publish cácmessage lên một topic cụ thể hoặc subscribe một topIc nào đó dé nhận message

MQTT Clients tương thích với hau hết các nền tảng hệ điều hành hiện có: MAC

OS, Windows, Linux, Android, iOS

Bởi vi giao thức nay sử dụng băng thông thấp trong môi trường có độ trễ cao

nên nó là một giao thức lý tưởng cho các ứng dụng M2M (Machine to machine).

Cách hoạt động cua giao thức MQTT được tóm tắt lại bằng hình 2.4

Hình 2.4 Giao thức hoạt động của MQTT

2.5.2 Ưu điểm của MQTT

Chuyén thông tin hiệu quả hơn, tăng khả năng mở rộng, giảm đáng kể tiêu thụbăng thông mạng, tối đa hóa băng thông có sẵn

12

Giảm tốc độ cập nhật xuống giây, rất phù hợp cho điều khiển và do thám.

Chi phí cực nhẹ, rất an toàn với bảo mật dựa trên sự cho phép, tiết kiệm thờigian phát triển

Giao thức publish - subscribe thu thập nhiều dữ liệu hơn với ít băng thông hơn

so VỚI giao thức cũ.

2.5.3 Ứng dụng của MQTT

Adafruit đưa ra một MQTT miễn phí là Cloud Service cho thí nghiệm IOT và

người học gọi nó là Adafruit IO trong năm 2015 Microsoft Azure IoT Hub sử

dụng MQTT làm giao thức chính cho các tin nhắn từ xa XIM, Inc đã ra mắt ứng

dụng khách MQTT có tên MQTT Buddy vào năm 2017 Node-RED hỗ trợ các nút

MOTT kể từ phiên bản 0.14, dé định cấu hình đúng các kết nối TLS Nền tang tựđộng hóa phần mềm nguồn mở Home Assistant được bật MQTT và cung cấp bốn

tùy chọn cho các Broker MQTT (hình 2.5).

Hình 2.5 Mô hình ứng dụng MQTT

13

2.6 Công nghệ BLE Beacon

2.6.1 Giới thiệu

Beacons là các máy phát không dây nhỏ, sử dụng công nghệ Bluetooth năng

lượng thấp dé gửi tín hiệu đến các thiết bị thông minh khác gần đó có hỗ trợBluetooth, cho phép một thiết bị khác xác định mức độ gần với thiết bị phát sóng.Một Beacon không truyền tải nội dung, nó chỉ đơn giản là truyền tín hiệu cho phépđiện thoại hoặc máy tính bảng của người dùng tìm ra khoảng cách gần với Beacon

2.6.2 Cách thức hoạt động

Mỗi thiết bị chứa CPU, radio và pin, và nó hoạt động bằng cách liên tục phát ramột mã định danh (ID) Mã nhận dạng này được chọn bởi thiết bị của người Sửdụng, thường là điện thoại di động và đánh dấu một vị trí quan trọng trong môitrường của người sử dụng Mã định danh là số ID duy nhất cho mỗi Beacon màđiện thoại thông minh có thé nhận ra Sau khi kết nối, Beacon sẽ thực hiện bat kỳ

chức năng nào nó đã được lập trình bao gồm: quảng cáo, điều hướng, theo dõi

Cơ chế làm việc của Beacons là những máy tính mini có kích thước của bộ địnhtuyến Wifi Đây là một hệ thống định vi trong nhà, sử dụng công nghệ lân cận détìm kiếm sự hiện diện của con người xung quanh và thực hiện các hành động đãđược thiết lập để mang lại trải nghiệm theo ngữ cảnh, thông tin và cá nhân hóa.Khi người dùng đi bộ quanh khu vực đặt hệ thông định vị trong nhà này, Beacons

sẽ gửi mã đến thiết bị di động của người dùng thông qua tin nhắn văn bản

Định dạng gói tin của Beacons: Một gói tin dé các thiết bị đọc được phải tuântheo các chuẩn đã được định trước, trước tiên là gói dir liệu advertising Một gói

tin advertising có độ dài lên đến 47 bytes, chỉ tiết gói tin thể hiển ở hình 2.6

14

(1 byte)

Advertising Channel PDU

Header (2 bytes)

2.6.3 Phan loai Beacon

e iBeacon: La giao thức BLE được Apple đưa ra 12/2013, đây là một bộ giao

thức chính thức đầu tiên về BLE, đa số moi beacons đều hỗ trợ Giao thức này

được hỗ trợ chỉ trên iOS, nhưng hiện nay có thể tìm rất nhiều hàm API hỗ trợ tìmkiếm các iBeacon trên Android Cần có một ứng dụng để tìm kiếm beacons và thựchiện các thao tác với chúng iBeacon hỗ trợ hai kiểu tương tác, giám sát

(monitoring) và vùng phủ (ranging) Với chế độ giám sát ứng dụng sẽ cảnh báongay cả khi ứng dụng đã tắt Khác chế độ giám sát, chế độ vùng phủ chỉ hoạt động

khi ứng dụng đang chạy Với iBeacon thì các beacon sẽ phát ra dữ liệu là ba thông tin UUID, Major, và Minor Sẽ không bao giờ có hai beacon cùng UUID, Major,

và Minor.

15

e Eddystone: Là giao thức BLE do Google công bố 7/2015, được hỗ trợ chínhthức trên cả hai nền tảng iOS va Android Là một giao thức mở và hỗ trợ nhiều góitin khác nhau Chỉ hỗ trợ một kiểu tương tác cơ bản, gần giống với vùng phủ củaiBeacon Eddystone có thé thay thế iBeacon do hỗ trợ chính thức trên iOS vaAndroid, hỗ trợ 3 loại gói tin khác nhau, không cần cài ứng dụng, là một giao thức

mở hỗ trợ đa nền tảng Các gói tin của Eddystone gồm có:

o Eddystone-UID gần giống gói tin của iBeacon, gồm các thông tinNamespace (chức năng giống UUID của iBeacon) và Instance (chức nănggiống Major va Minor của iBeacon)

o Eddystone-URL: gửi thong tin một đường dan site Với gói tin nay trên

điện thoại sẽ mở site và không cần cài ứng dụng

o Eddystone-TLM: là gói tin gửi các thông tin của beacons như điện áp

pin, nhiệt độ, số gói tin đã gửi, va thời gian bật beacons Gói tin này sẽ gửi

với chu kỳ dài hơn hai gói trên.

2.6.4 Ứng dụng công nghệ Beacon

Beacon được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như sản xuất, quản

lý chuỗi cung ứng, giáo dục, chăm sóc sức khỏe, định vị vị trí trong nhà.

16

Chương 3 PHAN TÍCH VÀ THIẾT KE HE THONG

năng giám sát vị trí hoạt động, tình trạng động cơ và điện năng tiêu thụ hoạt động độc

lập với nhau khi xe bắt đầu hoạt động Dữ liệu giám sát của 3 khối chức năng này

được gửi về liên tục cho khối chức năng hién thị thông tin giám sát

17

Đặc tính cua Raspberry Pi xây dung quanh bộ xử ly SoC Broadcom

BCM2835 bao gom CPU, GPU, bộ xử ly âm thanh/video, va các tính năngkhác Tất cả được tích hợp bên trong chip có điện năng thấp này Raspberry Piđược thiết kế dé chạy hệ điều hành Linux với các tiện ích như lướt web, môi

18

trường Desktop và các nhiệm vụ khác mà không thể chạy Windows vì

BCM2835 dựa trên cau trúc ARM nên không hỗ trợ mã x86/x64 Raspberry Pi

có 2 phiên bản là Model A và Model B Raspberry Pi 3 B bao gồm phần cứng

và các công kết nỗi như sau:

e Bộ xử lý lõi tứ 1.2GHz Broadcom BCM2837 64bit.

e Cổng camera CSI dành cho kết nối với một camera Pi

e Công hiên thi DSI dành cho kết nối với một màn hình cảm ứng được

thiết kế riêng cho Raspberry Pi.

° Công micro-SD cho việc khởi động hệ điều hành và lưu trữ đữ liệu

e Công cấp nguồn micro-USB được nâng cấp lên đến 2.5A

Hinh 3.3 Raspberry Pi Model B

19

3.2.2.2 Camera cho Raspberry Pi

Camera Raspberry Pi V2 8MP (hình 3.4) được thiết kế tương thích với tat cả

các dong Raspberry Pi 1, 2 và 3 từng được sản xuất [2] Camera Raspberry Pi

V2 §MP kết nối với Raspberry Pi để chụp hình, quay phim với chất lượng HD1080p30, 720p60 hoặc VGA90 Camera Raspberry Pi V2 8MP có thé được điềukhién thông qua MMAL và V4LAPIs, có rất nhiều bộ thư viện được cộng đồng

Raspberry Pi phát triển trên Python

Thông số kỹ thuật:

e© Cam biến IMX219 từ Sony

e_ Cảm biến độ phân giải 8-megapixel cho khả năng chụp ảnh kích thước

Arduino Uno (hình 3.5) là một board mạch vi điều khiến được phát triển bởi

Arduino [3], một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển

AVR Atmega328P.

20

Ưu điểm khi sử dụng Arduino Uno là: Với Arduino, phần mềm hỗ trợ đa nền

tảng, có thể chạy trên các hệ điều hành Windows, Macintosh OSX và Linux.Chi phí Arduino không tốn kém Phần mềm lập trình IDE dé sử dung ArduinoUno hỗ trợ kết ni các thiết bị ngoại vi đa dang thông qua các mô-đun

Thông số kỹ thuật:

e_ Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit

e Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua công USB)

e Tần số hoạt động 16 MHz

e Dòng tiêu thụ khoảng 30mA.

e Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC.

e Điện áp vao giới hạn 6-20V DC.

e Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

e Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Hinh 3.5 Arduino Uno R3

21