❖ Đồ dùng gia dụng thông minh Các vật dụng hiện đại hàng ngày trong nhà như máy đun nước, lò vi sóng, máy pha cà phê, điều hòa, tivi, tủ lạnh,… đều được tích hợp sử dụng ứng dụng của Io
Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu và xây dựng Hệ thống theo dõi hành trình xe ứng dụng Internet vạn vật (IoT) dùng làm mô hình mẫu để giới thiệu và giảng dạy cho sinh viên Khoa Điện – Điện tử
- Thiết kế và thi công thiết bị định vị để theo dõi hành trình xe trên bản đồ.
Đối tượng và khách thể nghiên cứu
- Công nghệ định vị toàn cầu GPS
- Module định vị GPS NEO 6M
Giả thuyết nghiên cứu
- Thiết kế 2 hệ thống theo dõi hành trình xe ứng dụng IoT
+ Hệ thống dùng làm bộ thực hành cho sinh viên
+ Hệ thống theo dõi hành trình xe thực tế hiển thị vị trí trên bản đồ
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của đề tài
- Thiết kế sơ đồ kết nối hệ thống
- Viết code cho hệ thống
- Thi công hệ thống theo dõi hình trình xe ứng dụng IoT
6 Phương pháp nghiên cứu đề tài
Phương pháp tham khảo tài liệu: tìm kiếm thông tin từ sách ,báo, tạp chí công nghệ, Internet
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Từ những kiến thức thu thập được tiến hành mô phỏng, khảo sát nhiều phương pháp khác nhau để từ đó thiết kế hệ thống tối ưu nhất
7 Phạm vi ứng dụng của đề tài
- Ứng dụng trong giảng dạy : Xây dụng mô hình thực hành cho sinh viên, giúp cung cấp cho sinh viên có kiến thức về công nghệ GPS, IoT và khả năng lập trình trên phần mềm Arduino
- Ứng dụng trong đời sống : Là thiết bị theo dõi hành trinh xe hay vị trí xe, giúp cho các công ty vận tải theo dõi hành trình của các xe của công ty được tốt hơn
PHẦN NỘI DỤNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI
1.1 Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu thiết bị GPS xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được một vị trí tọa độ của thiết bị GPS đó
GPS ban đầu chỉ dùng cho các mục đích quân sự, nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn tại liên tục và độ chính xác Vì thế chúng không thỏa mãn được yêu cầu an toàn ngày càng cao cho hệ thống dẫn đường dân sự hàng không và hàng hải Đặc biệt là tại những vùng và tại thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó Do không thỏa mãn được nhu cầu trên nên từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng hệ thống định vị toàn cầu trong dân sự
Các vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy
Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi chuyển động Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa
Vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2 (dải L là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz) GPS dân sự dùng tần số L1 1575.42 MHz trọng tải UHF Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thủy tinh và nhựa nhưng ko qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà
1.1.3 Tính tọa độ của GPS
Máy thu GPS tính toán dựa vào khoảng thời gian tính từ khi vệ tinh phát tín hiệu đến lúc nó nhận được Đó là tín hiệu radio tần số cao, công suất cực thấp Sóng radio chuyển động với tốc độ đều, tương đương tốc độ của ánh sáng, khoảng 300.000 km/giây trong chân không Để đo chính xác, chúng ta phải chắc chắn là đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu phải đồng bộ với nhau, chỉ cần chênh nhau 1 phần triệu giây là đã dẫn đến sai số khoảng 300 m Với độ chính xác như vậy, chỉ có thể là đồng hồ nguyên tử Nhưng đồng hồ nguyên tử có giá quá cao, tới hàng chục ngàn đô la Mỹ, nên chỉ có thể trang bị cho các vệ tinh Với máy thu, người ta buộc phải chọn phương án giá rẻ, dùng đồng hồ quartz thông thường Các đồng hồ quartz này được hiệu chỉnh liên tục dựa vào tín hiệu nhận được từ các vệ tinh để đồng bộ thời gian chính xác theo đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh Nhờ đó mà bốn mặt cầu giao nhau tại một điểm
Hình 1.1: Hệ thống định vị GPS
Tính khoảng cách tới vệ tinh Vào một thời điểm nào đó trong ngày, một vệ tinh bắt đầu truyền một chuỗi dài tín hiệu số, được gọi là mã giả ngẫu nhiên Cùng lúc, máy thu cũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt, sau đó một chút mới nhận được chuỗi tín hiệu của vệ tinh Độ trễ này là khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh tới máy thu Nhân thời gian trễ này với vận tốc ánh sáng, máy thu tính ra quãng đường truyền tín hiệu Đây là khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh, với giả thiết tín hiện truyền theo đường thẳng với vận tốc truyền không đổi
Xác định vị trí vệ tinh Điều này không quá khó, vì mỗi máy thu đều cập nhật và lưu trữ định kỳ một bảng tra cứu (gọi là almanac data) vị trí gần đúng của từng vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo vào bất kỳ thời điểm nào Một số yếu tố như lực hút của mặt trăng, mặt trời làm lệch quỹ đạo của các vệ tinh đôi chút nhưng bộ quốc phòng
Mỹ liên tục giám sát vị trí chính xác của các vệ tinh và truyền những hiệu chỉnh đến các máy thu GPS thông qua tín hiệu từ vệ tinh
Vậy là chúng ta đã biết cách mà một máy thu GPS tính toán vị trí của nó trên mặt đất dựa trên thông tin nhận được từ 4 vệ tinh địa tĩnh Qua quá trình thu nhận tín hiệu và xử lý thông tin, máy thu cho chúng ta biết vĩ độ, kinh độ và cao độ của vị trí hiện thời Trên smartphone, những thông tin này được thể hiện thành điểm trên bản đồ
Dù vậy hệ thống tính toán vẫn còn những sai số Trước hết là do phương pháp này giả định tín hiệu từ vệ tinh truyền thẳng tới các máy thu qua bầu khí quyển với vận tốc không đổi (bằng vận tốc ánh sáng) Trong thực tế, bầu khí quyển của trái đất làm chậm tốc độ truyền xuống một chút, đặc biệt là khi tín hiệu xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu Độ trễ khác nhau tùy thuộc vào vị trí của máy thu trên mặt đất, có nghĩa là rất khó để loại trừ yếu tố sai số này trong các tính toán khoảng cách Vấn đề cũng có thể xảy ra khi các tín hiệu radio phản xạ bởi các vật chắn lớn, chẳng hạn như những dãy núi cao hay tòa nhà chọc trời, khiến máy thu nhầm vệ tinh xa hơn thực tế Đôi khi tín hiệu từ vệ tinh có sai số, báo sai vị trí của nó
Một số kỹ thuật được áp dụng để sửa sai số tính toán của hệ thống GPS Hệ thống định vị toàn cầu vi sai DGPS (Differential GPS) là một dạng nâng cao của GPS, trong đó sử dụng thêm một mạng các trạm thu GPS mặt đất cố định Ý tưởng cơ bản là để tính toán sai số tại trạm thu GPS cố định so với số liệu đo đạc chính xác đã biết từ trước Sau đó trạm phát tín hiệu radio cung cấp thông tin hiệu chỉnh tín hiệu cho khu vực, giúp những máy thu DGPS trong khu vực đó định vị chính xác hơn DGPS được các nước như Mỹ, Úc và Canada dùng cho các hệ thống hỗ trợ tàu bè ven biển
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp tham khảo tài liệu: tìm kiếm thông tin từ sách ,báo, tạp chí công nghệ, Internet
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Từ những kiến thức thu thập được tiến hành mô phỏng, khảo sát nhiều phương pháp khác nhau để từ đó thiết kế hệ thống tối ưu nhất.
Phạm vi ứng dụng
- Ứng dụng trong giảng dạy : Xây dụng mô hình thực hành cho sinh viên, giúp cung cấp cho sinh viên có kiến thức về công nghệ GPS, IoT và khả năng lập trình trên phần mềm Arduino
- Ứng dụng trong đời sống : Là thiết bị theo dõi hành trinh xe hay vị trí xe, giúp cho các công ty vận tải theo dõi hành trình của các xe của công ty được tốt hơn
CƠ SỞ LÝ LUẬN
Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu thiết bị GPS xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được một vị trí tọa độ của thiết bị GPS đó
GPS ban đầu chỉ dùng cho các mục đích quân sự, nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn tại liên tục và độ chính xác Vì thế chúng không thỏa mãn được yêu cầu an toàn ngày càng cao cho hệ thống dẫn đường dân sự hàng không và hàng hải Đặc biệt là tại những vùng và tại thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó Do không thỏa mãn được nhu cầu trên nên từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng hệ thống định vị toàn cầu trong dân sự
Các vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy
Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi chuyển động Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa
Vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2 (dải L là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz) GPS dân sự dùng tần số L1 1575.42 MHz trọng tải UHF Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thủy tinh và nhựa nhưng ko qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà
1.1.3 Tính tọa độ của GPS
Máy thu GPS tính toán dựa vào khoảng thời gian tính từ khi vệ tinh phát tín hiệu đến lúc nó nhận được Đó là tín hiệu radio tần số cao, công suất cực thấp Sóng radio chuyển động với tốc độ đều, tương đương tốc độ của ánh sáng, khoảng 300.000 km/giây trong chân không Để đo chính xác, chúng ta phải chắc chắn là đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu phải đồng bộ với nhau, chỉ cần chênh nhau 1 phần triệu giây là đã dẫn đến sai số khoảng 300 m Với độ chính xác như vậy, chỉ có thể là đồng hồ nguyên tử Nhưng đồng hồ nguyên tử có giá quá cao, tới hàng chục ngàn đô la Mỹ, nên chỉ có thể trang bị cho các vệ tinh Với máy thu, người ta buộc phải chọn phương án giá rẻ, dùng đồng hồ quartz thông thường Các đồng hồ quartz này được hiệu chỉnh liên tục dựa vào tín hiệu nhận được từ các vệ tinh để đồng bộ thời gian chính xác theo đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh Nhờ đó mà bốn mặt cầu giao nhau tại một điểm
Hình 1.1: Hệ thống định vị GPS
Tính khoảng cách tới vệ tinh Vào một thời điểm nào đó trong ngày, một vệ tinh bắt đầu truyền một chuỗi dài tín hiệu số, được gọi là mã giả ngẫu nhiên Cùng lúc, máy thu cũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt, sau đó một chút mới nhận được chuỗi tín hiệu của vệ tinh Độ trễ này là khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh tới máy thu Nhân thời gian trễ này với vận tốc ánh sáng, máy thu tính ra quãng đường truyền tín hiệu Đây là khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh, với giả thiết tín hiện truyền theo đường thẳng với vận tốc truyền không đổi
Xác định vị trí vệ tinh Điều này không quá khó, vì mỗi máy thu đều cập nhật và lưu trữ định kỳ một bảng tra cứu (gọi là almanac data) vị trí gần đúng của từng vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo vào bất kỳ thời điểm nào Một số yếu tố như lực hút của mặt trăng, mặt trời làm lệch quỹ đạo của các vệ tinh đôi chút nhưng bộ quốc phòng
Mỹ liên tục giám sát vị trí chính xác của các vệ tinh và truyền những hiệu chỉnh đến các máy thu GPS thông qua tín hiệu từ vệ tinh
Vậy là chúng ta đã biết cách mà một máy thu GPS tính toán vị trí của nó trên mặt đất dựa trên thông tin nhận được từ 4 vệ tinh địa tĩnh Qua quá trình thu nhận tín hiệu và xử lý thông tin, máy thu cho chúng ta biết vĩ độ, kinh độ và cao độ của vị trí hiện thời Trên smartphone, những thông tin này được thể hiện thành điểm trên bản đồ
Dù vậy hệ thống tính toán vẫn còn những sai số Trước hết là do phương pháp này giả định tín hiệu từ vệ tinh truyền thẳng tới các máy thu qua bầu khí quyển với vận tốc không đổi (bằng vận tốc ánh sáng) Trong thực tế, bầu khí quyển của trái đất làm chậm tốc độ truyền xuống một chút, đặc biệt là khi tín hiệu xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu Độ trễ khác nhau tùy thuộc vào vị trí của máy thu trên mặt đất, có nghĩa là rất khó để loại trừ yếu tố sai số này trong các tính toán khoảng cách Vấn đề cũng có thể xảy ra khi các tín hiệu radio phản xạ bởi các vật chắn lớn, chẳng hạn như những dãy núi cao hay tòa nhà chọc trời, khiến máy thu nhầm vệ tinh xa hơn thực tế Đôi khi tín hiệu từ vệ tinh có sai số, báo sai vị trí của nó
Một số kỹ thuật được áp dụng để sửa sai số tính toán của hệ thống GPS Hệ thống định vị toàn cầu vi sai DGPS (Differential GPS) là một dạng nâng cao của GPS, trong đó sử dụng thêm một mạng các trạm thu GPS mặt đất cố định Ý tưởng cơ bản là để tính toán sai số tại trạm thu GPS cố định so với số liệu đo đạc chính xác đã biết từ trước Sau đó trạm phát tín hiệu radio cung cấp thông tin hiệu chỉnh tín hiệu cho khu vực, giúp những máy thu DGPS trong khu vực đó định vị chính xác hơn DGPS được các nước như Mỹ, Úc và Canada dùng cho các hệ thống hỗ trợ tàu bè ven biển
Trong khi đó công nghệ hỗ trợ định vị Assisted-GPS (A-GPS) thường được dùng cho các thiết bị cầm tay Ngoài việc định vị GPS, smartphone sử dụng A-GPS còn kết nối với máy chủ thông qua mạng 3G, GPRS hay Wi-Fi để nhận tín hiệu phát ra từ các trạm phát sóng của nhà mạng Nhờ thế mà thiết bị khắc phục được sai số từ tín hiệu vệ tinh khi truyền xuống vùng đô thị có nhiều tán cây, cao ốc.
Tìm hiểu về IoT
Internet of Things (IoT) là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối Đây là một viễn cảnh trong đó mọi vật, mọi con vật hoặc con người được cung cấp các định danh và khả năng tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng lưới mà không cần sự tương tác giữa con người-với-con người hoặc con người-với-máy tính IoT tiến hoá từ sự hội tụ của các công nghệ không dây, hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và Internet Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999 Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT
"Thing" - sự vật - trong Internet of Things, có thể là một trang trại động vật với bộ tiếp sóng chip sinh học, một chiếc xe ô tô tích hợp các cảm biến để cảnh báo lái xe khi lốp quá non, hoặc bất kỳ đồ vật nào do tự nhiên sinh ra hoặc do con người sản xuất ra mà có thể được gán với một địa chỉ IP và được cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu qua mạng lưới
IoT phải có 2 thuộc tính: một là đó phải là một ứng dụng internet Hai là, nó phải lấy được thông tin của vật chủ
Hình 1.3: Sự gia tăng nhanh chóng của giao tiếp máy – máy
Một ví dụ điển hình cho IoT là tủ lạnh thông minh, nó có thể là một chiếc tủ lạnh bình thường nhưng có gắn thêm các cảm biến bên trong giúp kiểm tra được số lượng các loại thực phẩm có trong tủ lạnh, cảm biến nhiệt độ, cảm biến phát hiện mở cửa,…và các thông tin này được đưa lên internet Với một danh mục thực phẩm được thiết lập trước bởi người dùng, khi mà một trong các loại thực phẩm đó sắp hết thì nó sẽ thông báo ngay cho chủ nhân nó biết rằng cần phải bổ sung gấp, thậm chí nếu các loại sản phẩm được gắn mã ID thì nó sẽ tự động trực tiếp gửi thông báo cần nhập hàng đến siêu thị và nhân viên siêu thị sẽ gửi loại thực phẩm đó đến tận nhà
Hình 1.4: Ứng dụng tủ lạnh trong IoT 1.2.2 Cơ sở kỹ thuật của IoT a Giao thức chính
Trong IoT, các thiết bị phải giao tiếp được với nhau (D2D) Dữ liệu sau đó phải được thu thập và gửi tới máy chủ (D2S) Máy chủ cũng có để chia sẻ dữ liệu với nhau(S2S), có thể cung cấp lại cho các thiết bị, để phân tích các chương trình, hoặc cho người dùng Các giao thức có thể dùng trong IoT là:
- MQTT: một giao thức cho việc thu thập dữ liệu và giao tiếp cho các máy chủ (D2S)
- XMPP: giao thức tốt nhất để kết nối các thiết bị với mọi người, một trường hợp đặc biệt của mô hình D2S, kể từ khi người được kết nối với các máy chủ
- DDS: giao thức tốc độ cao cho việc tích hợp máy thông minh (D2D)
- AMQP: hệ thống hàng đợi được thiết kế để kết nối các máy chủ với nhau (S2S)
MQTT(Message Queue Telemetry Transport), mục tiêu thu thập dữ liệu và giao tiếp D2S Mục đích là đo đạc từ xa, hoặc giám sát từ xa, thu thập dữ liệu từ nhiều thiết bị và vận chuyển dữ liệu đó đến máy trạm với ít xung đột nhất MQTT nhắm đến các mạng lớn của các thiết bị nhỏ mà cần phải được theo dõi hoặc kiểm soát từ các đám mây
Hình 1.5: Ví dụ về MQTT
MQTT hoạt động đơn giản, cung cấp nhiều lựa chọn điều khiển và QoS MQTT không có yêu cầu quá khắt khe về thời gian, tuy nhiên hiều quả của nó là rất lớn, đáp ứng tính thời gian thực với đơn vị tính bằng giây
Các giao thức hoạt động trên nền tàng TCP, cung cấp các đáp ứng đơn giản, đáng tin cậy
XMPP ban đầu được gọi là "Jabber." Nó được phát triển cho các tin nhắn tức thời (IM) để kết nối mọi người với những người khác thông qua tin nhắn văn bản XMPP là viết tắt của Extensible Messaging và Presence Protocol
XMPP sử dụng định dạng văn bản XML, và cũng tương tự như MQTT chạy, XMPP chạy trên nền tảng TCP, hoặc có thể qua HTTP trên TCP Sức mạnh chính của nó là một chương trình name@domain.comaddressing trong mạng Internet khổng lồ b Năng lực truyền thông (Communication Capabilities) Địa chỉ IP được coi là yếu tố quan trọng trong IoT, khi mà mỗi thiết bị được gán một địa chỉ IP riêng biệt Do đó khả năng cấp phát địa chỉ IP sẽ quyết định đến tương lai của IoT Hệ thống địa chỉ IPv4 được tạo ra mới mục đích đánh cho mỗi máy tính kết nối vào mạng internet một con số riêng biệt, giúp cho thông tin có thể tìm tới đúng nơi cần đến ngay khi nó được chuyển đi từ bất cứ địa điểm nào trên thế giới Theo thiết kế, Ipv4 có thể cung cấp 2^32 (tương ứng với khoảng 4,2 tỉ) địa chỉ IP, một con số lớn không tưởng cách đây 30 năm Tuy nhiên, sự bùng nổ mạnh mẽ của Internet đã khiến cho số lượng địa chỉ IP tự do càng ngày càng khan hiếm Mới đây, RIPE NCC - Hiệp hội các tổ chức quản lý mạng Internet khu vực châu Âu phải đưa ra tuyên bố rằng họ đã sử dụng đến gói địa chỉ IP chưa cấp phát cuối cùng (khoảng 1,8 triệu địa chỉ)
Và sự ra đời của IPv6 như là một giải pháp cứu sống kịp thời cho sự cạn kiệt của IPv4 Độ dài bit của là 128 Sự gia tăng mạnh mẽ của IPv6 trong không gian địa chỉ là một yếu tố quan trọng trong phát triển Internet of Things
Hình 1.7: Năng lực truyền thông c Công suất thiết bị (Device Power)
Các tiêu chí hình thức chính của thiết bị khi triển khai một ứng dụng IoT là phải giá thành thấp, mỏng, nhẹ…và như vậy phần năng lượng nuôi thiết bị cũng sẽ trở nên nhỏ gọn lại, năng lượng tích trữ cũng sẽ trở nên ít đi Do đó đòi hỏi thiết bị phải tiêu tốn một công suất cực nhỏ (Ultra Low Power) để sử dụng nguồn năng lượng có hạn đó Bên cạnh đó yêu cầu có những giao thức truyền thông không dây gọn nhẹ hơn, đơn giản hơn, đòi hỏi ít công suất hơn (Low Energy Wireless Technologies) như Zigbee, BLE (Bluetooth low energy), ANT/ANT+, NIKE+,
Hình 1.8: Bảng so sánh các chuẩn truyền thông không dây d Công nghệ cảm biến (Sensor Technology)
Trong Internet of Things, cảm biến đóng vai trò then chốt, nó đo đạt cảm nhận giá trị từ môi trường xung quanh rồi gửi đến bộ vi xử lý sau đó được gửi lên mạng Chúng ta có thể bắt gặp một số loại cảm biến về cảnh báo cháy rừng, cảnh báo động đất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, Để giúp cho thiết bị kéo dài được thời gian sống hơn thì đòi hỏi cảm biến cũng phải tiêu hao một lượng năng lượng cực kỳ thấp Bên cạnh đó độ chính xác và thời gian đáp ứng của cảm biến cũng phải nhanh Để giá thành của thiết bị thấp thì đòi hỏi giá cảm biến cũng phải thấp
Hình 1.9: Một số loại cảm biến hay gặp e Thời gian đáp ứng
Hình 1.10: Đáp ứng thời gian cho ứng dụng IoT
Thời gian đáp ứng phải đảm bảo tính thời gian thực, sao cho hàng ngàn các node mạng có thể truy cập vào hệ thống mà không xảy ra hiện tượng nghẽn mạng Với các ứng dụng D2D, thời gian đáp ứng trong khoảng 10us đến 10ms, trong khi ứng dụng D2S, thời gian này là 10ms đến 1s Với các ứng dụng S2S, không có yêu cầu khắt khe về thời gian đáp ứng, tuy nhiên thông thường yêu cầu từ 3 đến 5s
1.2.3 Các ứng dụng của IoT
Với những hiệu quả thông minh rất thiết thực mà IoT đem đến cho con người, IoT đã và đang được tích hợp trên khắp mọi thứ, mọi nơi xung quanh thế giới mà con người đang sống Từ chiếc vòng đeo tay, những đồ gia dụng trong nhà, những mãnh vườn đang ươm hạt giống, cho đến những sinh vật sống như động vật hay con người…đều có sử dụng giải pháp IoT
Hình 1.11: Tổng quan về ứng dụng của IoT a Ứng dụng trong lĩnh vực vận tải Ứng dụng điển hình nhất trong lĩnh vực này là gắn chíp lấy tọa độ GPS lên xe chở hàng, nhằm kiểm soát lộ trình, tốc độ, thời gian đi đến của các xe chở hàng Ứng dụng này giúp quản lý tốt khâu vận chuyển, có những xử lý kịp thời khi xe đi không đúng lộ trình hoạt bị hỏng hóc trên những lộ trình mà ở đó mạng di động không phủ sóng tới được, kiểm soát được lượng nhiên liệu tiêu hao ứng với lộ trình đã được vạch trước…
Hình 1.12: Theo dõi lộ trình đi của xe chở hàng b Ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp
Hướng dẫn lập trình trên IoT Cloud Arduino
❖ Tạo tài khoản trên trang web http://www.arduino.cc
Hình 1.15: Giao diện trang web http://www.arduino.cc
- Vào mục SIGN IN trên góc phải giao diện của web, sau đó vào Create one để tạo tài khoản
Hình 1.16: Giao diện đăng nhập vào trang web
Hình 1.17: Giao diện điền thông tin ngày sinh
Hình 1.18: Giao diện đăng ký tài khoản
- Điền đầy đủ thông tin để tạo tài khoản trên cloud arduino
❖ Truy cập vào IoT cloud
Sau khi tạo tài khoản thành công, chúng ta có thể truy cập vào mục IoT cloud tử trang web http://www.arduino.cc
Hình 1.19: Truy cập vào mục IoT cloud
❖ Tạo 1 tác vụ cần làm (a Thing) Đề án luôn bắt đầu từ việc tạo ra 1 tác vụ (a thing), trong 1 tác vụ chúng ta có thể chọn thiết bị (device) để sử dụng, chọn mạng Wifi muốn kết nối, và tạo ra các giá trị thông số (variables) để quan sát và điều khiển
Hình 1.20: Tạo tác vụ trên IoT Cloud
Hình 1.21: Giao diện cài đặt của tác vụ
Thiết bị dễ dang được thêm vào và liên kết với tác vụ, arduino IoT Cloud yêu cầu máy tính phải cài phần mềm Arduino Agent installed Quá trình cấu hình diễn ra nhanh chóng và dễ dàng
Hình 1.22: Cấu hình thiết bị trong IoT Cloud
❖ Tạo các thông số giá trị (variables)
Các thông số giá trị có thể tạo ra tự động từ file Sketch, có các thông số đặc biệt như nhiệt độ, độ ẩm…
Hình 1.23: Giao diện cài đặt thông số
❖ Kết nối mạng Để kết nối mạng Wifi thì click vào Configure và bấm Save
Sau khi cài đặt xong, chúng ta sketch để viết chương trình cho hệ thống
Hình 1.24: Giao diện viết chương trình
❖ Tạo một Dashboards: để qua sát các thông số tạo ra
Vào mục Dashboard, click vào BUILD DASHBOARDS, sau đó thêm Widgets nào cần sử dụng
Hình 1.25: Giao diện vào mục Dashboards
Giới thiệu module ESP32
ESP32-WROOM-32 là một module với nhiều tính năng cải tiến hơn các module dòng ESP8266 khi hỗ trợ thêm các tính năng Bluetooth và Bluetooth Low Energy (BLE) bên cạnh tính năng WiFi Sản phẩm sử dụng chip ESP32-D0WDQ6 với 2 CPU có thể được điều khiển độc lập với tần số xung clock lên đến 240 MHz
Module hỗ trợ các chuẩn giao tiếp SPI, UART, I2C và I2S và có khả năng kết nối với nhiều ngoại vi như các cảm biến, các bộ khuếch đại, thẻ nhớ (SD card),… Ở chế độ sleep dũng điện hoạt động là 5 àA nờn thớch hợp cho cỏc ứng dụng dùng pin như các thiết bị điện tử đeo tay Ngoài ra module còn hỗ trợ cập nhật firmware từ xa (OTA) do đó người dùng vẫn có thể có những bản cập nhật mới nhất của sản phẩm
Hình 1.27: ESP32 -WROOM 1.4.1 Cấu hình ESP32- WROOM
❖ Đơn vị xử lí trung tâm CPU
- CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor
- Tốc độ xử lý 160MHZ up to 240 MHz
- Tốc độ xung nhịp đọc flash chip 40mhz > 80mhz (tùy chỉnh khi lập trình)
- 520 KB SRAM liền chip –(trong đó 8 KB RAM RTC tốc độ cao – 8 K
- RAM RTC tốc độ thấp (dùng ở chế độ DeepSleep)
❖ Hỗ trợ 2 giao tiếp không dây
- Bluetooth: v4.2 BR/EDR and BLE
❖ Hỗ trợ tất cả các loại giao tiếp
- 8-bit DACs( digital to analog) 2 cổng
- SPI – 3 cổng (1 cổng cho chip FLASH )
- SD card /SDIO/MMC host
- Ethernet MAC interface with dedicated DMA and IEEE 1588 support
- PWM (tất cả các chân )
- Ultra low power analog pre-amplifier’
❖ Cảm biến tích hợp trên chip esp32
- 1 cảm biến Hall (cảm biến từ trường)
- 1 cảm biến đo nhiệt độ
- Cảm biến chạm (điện dung) với 10 đầu vào khác nhau
- IEEE 802.11 standard security features all supported, including WFA, WPA/WPA2 and WAPI
- 24-bit OTP, up to 768-bit for customers
- Cryptographic hardware acceleration: AES, SHA-2, RSA, elliptic curve cryptography (ECC), random number generator (RNG)
1.4.2 Sơ đồ chân ESP32 DEVKIT
Module LCD2004
Màn hình text LCD2004 sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 4 dòng với mỗi dòng 20 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu và dễ sử dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án
Màn hình rất dễ giao tiếp và hiển thị thông số theo bảng mã ASCII Ngoài ra còn có thể thêm hiển thị thông tin bằng các ký tự tự tạo
❖ Thông số kỹ thuật màn hình LCD2004
Chân 16 Điện áp hoạt động 5v
Số ô hiển thị 80 ô nhớ hiển thị
Nền xanh lá và xanh dương
❖ Mạch chuyển đổi I2C cho LCD
LCD có quá nhiều chân gây khó khăn trong quá trình kết nối và chiếm dụng nhiều chân của vi điều khiển Module chuyển đổi I2C cho LCD sẽ giải quyết vấn đề này, thay vì sử dụng tối thiểu 6 chân của vi điều khiển để kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì với module chuyển đổi chúng ta chỉ cần sử dụng 2 chân (SCL, SDA) để kết nối Module chuyển đổi I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 1602, LCD 2004, … ), kết nối với vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay
Hình 1.31: Sơ đồ chân của module I2C Ưu điểm
• Tiết kiệm chân cho vi điều khiển
• Dễ dàng kết nối với LCD
• Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC
• Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)
• Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)
• Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H)
• Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
• Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD
Tổng quan về GPS NEO - 6M
Module NEO-6M GPS là module định vị toàn cầu sử dụng hệ thống vệ tinh GPS của Mỹ Module GPS NEO-6M cho tốc độ xác định vị trí nhanh và chính xác, có nhiều mức năng lượng hoạt động, phù hợp với các ứng dụng chạy pin
• Nguồn hoạt động: 3.3-5.5V (Nên sử dụng ở mức 3.3V)
• Dòng hoạt động bình thường: 50 mA
• Dòng hoạt động ở trạng thái tiết kiệm: 30 mA
• Giao tiếp UART/TTL (Để sử dụng giao tiếp UART bạn có thể sử dụng module UART TTL CP2102)
• Baud rate: Gồm nhiều mức khác nhau 1200, 2400, 4800, 19200,
• Kích cỡ module : 39x25.5mm ỨNG DỤNG
• Xác định tọa độ (kinh tuyến, vĩ tuyến) hiện tại của module trên bề mặt trái đất với sai số nhỏ nhất < 1m.
• Xác định thời gian quốc tế được cấp bởi đồng hồ vệ tinh gửi về Từ đó bạn cũng có thể suy ra thời gian đồng hồ nơi ở của bạn theo tắc trừ múi giờ
• Chỉ cần 3 vệ tinh là bạn có thể xác định được tọa độ, chỉ cần 4 vệ tinh là bạn có thể xác định được độ cao hiện tại so với mực nước biển.
• Có thể tính toán ra tốc độ di chuyển, hướng di chuyển của vật thể được gắn module GPS
• Giải các bài toán về tính toán giữa 2 điểm bất kì, tính diện tích ở một không gian cực kì rộng lớn
Trên board GPS NEO 6M sẽ thấy một đèn led nhỏ để báo hiệu module NEO 6M có được kết nối với các vệ tinh hay chưa
- Nếu đèn led không nhấp nháy: đang tìm các vệ tinh
- Nếu đèn led nhấp nháy mỗi giây thì vị trí đã được tìm thấy (đã tìm đủ vệ tinh )
Hình 1.34: Đèn led báo hiệu kết nối
❖ Anten Được kết nối với module GPS NEO, dùng để nhận tín hiệu sóng vô tuyến từ vệ tinh GPS
Hình 1.35: Kết nối Anten với NEO - 6M
Hình 1.36: Sơ đồ chân của GPS NEO 6M
TX Pin truyền dữ liệu
RX Pin nhận dữ liệu PPS Sau gần 1s sẽ xuất 1 xung ra (có thể kết nối với led)
Hình 1.37: Sơ đồ mạch của GPS NEO 6M
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG THEO DÕI HÀNH TRÌNH XE ỨNG DỤNG IoT
Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống
Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống
Xây dựng sơ đồ kết nối hệ thống
Hình 2.2: Sơ đồ kết nối của mô hình (dùng để phục vụ giảng dạy)
Hình 2.3: Sơ đồ kết nối của thiết bị theo dõi hành trình xe
Thi công hệ thống theo dõi hành trình xe ứng dụng IoT
2.3.1 Mô hình theo dõi hành trình xe ứng dụng IoT (Mô hình giảng dạy)
Hình 2.4: Mô hình theo dõi hành trình xe ứng dụng IoT
Mô hình này dùng để cho sinh viên tham khảo, thực hành trong học phần IoT của ngành CNKT Điện tử - Truyền thông
2.3.2 Thiết bị theo dõi hành trình xe thực tế
Hình 2.5: Hình ảnh thiết bị theo dõi hành trình xe thông qua định vị GPS
Xây dựng phần mềm cho hệ thống
Trong đề tài này, chủ nhiệm đề tài xây dựng phần mềm trên IoT Cloud Arduino (Hướng dẫn sử dụng IoT Cloud đã được giới thiệu ở phần cơ sở lý thuyết của đề tài)
- Đăng nhập vào tài khoản detaikhoahoc2023@gmail.com, password: detaikhoahoc2023
Hình 2.6: Giao diện đăng nhập vào tài khoản IoT Cloud
- Tạo 2 dự án trong Things, sau đó thêm các thiết bị, thông số và kết nối mạng Cuối cùng viết chương trình trong Sketch
Hình 2.7: Giao diện 2 dự án trong Things
Hình 2.8: Viết chương trình trong Sketch
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Xây dựng được hệ thống theo dõi hành trình xe ứng dụng IoT
3.1.1 Mô hình theo dõi hành trình xe ứng dụng IoT
- Dùng làm mô hình thực hành trong học phần IoT cho sinh viên ngành CNKT Điện tử, Truyền thông
Hình 3.1: Mô hình theo dõi hành trình xe úng dụng IoT
Hướng dẫn kết nối mô hình
- Chân Tx của NEO 6M kết nối với chân G16 của ESP32
- Chân Rx của NEO 6M kết nối với chân G17 của ESP32
- Chân SDA của LCD2004 kết nối với chân G21 của ESP32
- Chân SCL của LCD2004 kết nối với chân G22 của ESP32
- Các chân nguồn VCC và GND của các module kết nối với nguồn 5V và GND của bộ nguồn
3.1.2 Thiết bị theo dõi hành trình xe thực tế
Hình 3.2: Thiết bị theo dõi hành trình xe có gắn DCOM phát wifi
- Thiết bị này được để lên xe cần được theo dõi vị trí, vị trí của xe được cập nhật liên tục nhờ thiết bị định vị GPS gắn trong thiết bị này
- Thiết bị này được kết nối wifi thông qua module ESP32 để có thể theo dõi hành trình xe thông qua mạng Internet
- Chúng ta có thể xem hành trình xe bằng điện thoại di động (hệ điều hành Android) hoặc xem trên máy tính thông qua trang web của IoT Cloud
Kết quả nghiên cứu của đề tài
❖ Xem tọa độ xe trên màn hình LCD (đối với GPSKit để giảng dạy)
Hình 3.3: Xem tọa độ trên trền màn hình LCD2004
❖ Xem hành trình xe thông qua điện thoại (dùng hệ điều hành Android)
- Đầu tiên chúng ta tải Arduino IoT Cloud Remote và cài đặt cho điện thoại
Hình 3.4: Biểu tượng IoT Remote trên giao diện điện thoại
- Mở IoT remote và đăng nhập:
Tên đăng nhập: detaikhoahoctdc2023@gmail.com
Hình 3.5: Giao diện Iot Remote sau khi đăng nhập
- Muốn xem hành trình xe của hệ thống nào thì chọn hệ thống đó
Hình 3.6: Bản đồ theo dõi hành trình xe của thiết bị GPS thực tế
Hình 3.7: Bản đồ theo dõi hành trình xe của mô hình để giảng dạy
❖ Xem hành trình xe thông qua trang web
Hướng dẫn xem hành trình xe thông qua trang web của arduino
- Vào mục Dashboards: trong mục Dashboards có 2 dự án đã tạo sẳn
Hình 3.8: Giao diện trong mục Dashboards
- Chọn GPSKit để xem hành trình xe trên mô hình thực hành của sinh viên
Hình 3.8: Xem hành trình của xe trên bản đồ ở trong Dashboards của GPSKit
- Chọn GPS mini để theo dõi hành trình xe thực tế
Hình 3.9: Xem hành trình của xe trên bản đồ ở trong Dashboards của GPSMini