nghiên cứu, chế tạo hộp đen ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUỐC VƯƠNG NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỘP ĐEN Ô TÔ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 S K C0 4 6 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUỐC VƯƠNG NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỘP ĐEN Ô TÔ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 TP.Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN QUỐC VƯƠNG NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỘP ĐEN Ô TÔ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG TP.Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luận văn tốt nghiệp LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: NGUYỄN QUỐC VƯƠNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 31/10/1989 Nơi sinh: Bình Định Quê quán: Xã Bồng Sơn, huyện Hoài Nhơn, Bình Định Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 415/15A Trường Chinh, Phường 14, Quận Tân Bình, TP Hồ Chí Minh Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: 01678868761 Fax: E-mail: quocvuongspk07@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 10 / 2007 đến / 2012 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật.TPHCM Ngành học: Cơ Khí Động Lực Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo mô hình giảng dạy hệ thống điện xe Honda PCX Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 10/01/2012 Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 2014 Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Cao Đẳng kỹ thuật Cao Thắng i Giảng dạy Luận văn tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 20… tháng 10… năm 2014… (Ký tên ghi rõ họ tên) NGUYỄN QUỐC VƯƠNG ii Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Sau hai năm học tập Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Giờ đây, em hoàn thành khóa học Trong khoảng thời gian đó, quý thầy cô trường tận tình dạy cho chúng em kiến thức khoa học mà đạo đức, cách sống Để tỏ lòng biết ơn công lao ấy, chúng em xin tri ân chân thành cảm ơn đến: Quý thầy cô Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em toàn khóa học niên khóa 2012 – 2014 Quý thầy cô Khoa Cơ Khí Động Lực Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Quý thầy cô Khoa, Trung tâm, phòng ban nhà trường Đặc biệt chúng em xin chân thành cảm ơn PGS-TS ĐỖ VĂN DŨNG, suốt thời gian làm đề tài, thầy tận tình dạy, động viên giúp đỡ để em hoàn thành tốt đề tài Gia đình, người thân bạn bè gần xa giúp đỡ, động viên trình thực đề tài Kính chúc quý thầy cô thật nhiều sức khỏe, niềm vui hạnh phúc mong nhận ý kiến đóng góp chân thành! Tp.HCM, Ngày 20 Tháng 10 năm 2014 Người thực Nguyễn Quốc Vương iii Luận văn tốt nghiệp TÓM TẮT Công nghệ định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) ngày phát triển ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực như: đồ, thủy văn, viễn thông…Đề tài: “Nghiên cứu, chế tạo hộp đen ô tô” xuất phát từ nhu cầu thực tế Qua đó, thiết kế, chế tạo hộp đen ứng dụng xe ô tô, xe máy… nhằm xác định vị trí, vận tốc, kinh độ, vĩ độ, thời gian… phương tiện giao thông công cộng xe hơi, xe máy… Thiết bị hoạt động sau: Phần GPS module SIM548C thu tín hiệu GPS từ hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System) gửi liệu nhận đến vi điều khiển Vi điều khiển xử lý liệu nhận (vị trí, vận tốc, kinh độ, vĩ độ….) gửi tới phần GSM SIM548C Phần GSM module SIM548C gửi liệu đến máy tính thông qua dịch vụ GPRS, cuối phần mềm máy tính hiển thị xác vị trí, vận tốc, kinh độ, vĩ độ… định vị đồ trực tuyến Sau thời gian nghiên cứu thực hiện, thiết bị hoàn thành, có khả giám sát phương tiện di chuyển phạm vi rộng lớn với sai số chấp nhận Đặc biệt sản phẩm có khả ứng dụng cao, thích hợp với đa số người sử dụng cá nhân nhỏ lẻ iv Luận văn tốt nghiệp ABSTRACT Nowadays, Global Positioning System (GPS) is developing and applying more and more generously in many fields such as: Maps, hydrology, telecommunications, engineering thesis: “Research and design Black Box for automobile”originated from the reality of users demand From that, I designed Black Box which used in automobile, motorcycles to manage position, velocity, longitude, latitude vehicles such as: cars, motorcycles… The devices operates in the process: First, GPS part of Module SIM548C receive GPS signals from Global Navigation Satellite System (GNSS) and transmit these data to microcontroller Microcontroller will receive data and then send them to GSM part of Module SIM548C GSM part of module SIM548C send these processed data to computer through GPRS service Finally, the software on computer calculate and draw the position of the objects on the online map (Google Map) After a long-term in researching, performing and testing this device, project has been finished System has the ability to locate automatic objects in extensive scale with the acceptable errors Especially the system has high application and it is very suitable for many personal users v Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Abstract v Mục lục vi Danh mục từ viết tắt x Danh mục hình xi Danh mục bảng xiii Chương 1: DẪN NHẬP 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Nhiệm vụ đề tài 1.4 Giới hạn đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) 2.1.1 Khái niệm hệ thống định vị toàn cầu GPS 2.1.2 Sự đời lịch sử phát triển hệ thống định vị toàn cầu GPS 2.1.3 Các nghiên cứu GPS nước 2.1.3.1 Các nghiên cứu GPS giới 2.1.3.2 Các nghiên cứu GPS nước 2.2 Cấu tạo hệ thống GPS 2.2.1 Phần không gian (Space Segment) 2.2.2 Phần điều khiển (Control Segment) 2.2.3 Phần sử dụng (Space Segment) vi Luận văn tốt nghiệp 2.2.3.1 Các phận thiết bị GPS phần sử dụng 10 2.2.3.2 Những phận máy thu GPS 10 2.3 Phương trình chuyển hướng 11 2.3.1 Tọa độ vị trí địa điểm mặt đất 12 2.4 Thành phần tín hiệu GPS 13 2.4.1 Tín hiệu GPS 14 2.4.2 Thông điệp từ chuỗi liệu 50bps 15 2.5 Cách thức làm việc hệ thống GPS 16 2.5.1 Hoạt động GPS 16 2.5.2 Độ xác hệ thống GPS 18 2.5.3 Các nguồn lỗi ảnh hưởng đến tín hiệu GPS 19 2.5.3.1 Điều kiện khí 19 2.5.3.2 Lỗi giao thoa tín hiệu GPS 19 2.5.3.3 Lỗi di chuyển thiết bị GPS 19 2.6 Chuẩn NMEA0183 20 2.6.1 Giới thiệu chuẩn NMEA NMEA0183 20 2.6.2 Giải mã số đoạn mã NMEA 21 2.7 Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM 28 2.8 Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp GPRS (General Packet Radio Service) 29 2.8.1 Sơ lược 29 2.8.2 Đặc điểm hệ thống GPRS 30 2.8.2.1 Chuyển mạch kênh 30 2.8.2.2 Chuyển mạch gói .30 2.8.3 Kiến trúc mạng GPRS 31 2.8.3.1 TE 32 2.8.3.2 GPRS BSS 32 2.8.3.3 MSC (Mobile Service Switching Center) 33 2.8.3.4 HLR (Home Location Register) 33 2.8.3.5 VLR (Visitor Location Register) 34 vii Luận văn tốt nghiệp Thời gian truyền liệu khoảng đến giây, tùy theo số byte cần truyền Nếu trình truyền liệu thực thành công, chuỗi trả có dạng: SEND OK (2) RECV FROM:222.252.96.179:2505 + IPD32: Socket Already login 29N7890 Cấu trúc chuỗi liệu nhận Định dạng thay đổi lệnh khởi tạo ―AT+CIPHEAD‖ ―AT+CIPSRIP‖ Chuỗi liệu gửi đến từ địa IP ―222.252.96.179‖, port 2505 có tổng số byte liệu 32 (+IPD32) chứa nội dung: ―Socket Already login 29N7890‖ Lưu ý có thêm kí tự thêm vào chuỗi phía GPRS server trước GPRS gửi 4.2.5 Hủy kết nối GPRS modem server Kết nối GPRS module SIM548C GPRS server bị ngắt do: + Module SIM548C chủ động hủy kết nối +GPRS server chủ động hủy kết nối + Hệ thống mạng GPRS chủ động ngắt kết nối để tiết kiệm tài nguyên mạng Kết nối TCP yêu cầu chặt chẽ trình liên kết truyền nhận liệu, đồng thời đầu cuối phải nhận biết trạng thái kết nối Khi kết nối bị hủy, trạng thái đường truyền thể Module SIM548C qua hiệu ứng sau: 78 Luận văn tốt nghiệp Hình 4.5: Bảng lệnh hủy kết nối Modem Server (1) (2): module GPRS chủ động hủy kết nối (nên dùng lệnh ―AT+CIPSHUT‖) Trong thực tế ứng dụng, hai lệnh xem tương đương Lệnh ―AT+CIPCLOSE‖ đưa kết nối GPRS trở trạng thái ―STATE: IP INITIAL‖ Khi hai lệnh thực thi, GPRS server nhận biết trạng thái kết nối, hủy kết nối nhằm tiết kiệm tài nguyên đường truyền (3)CLOSED Trong hợp xảy GPRS server hệ thống mạng GPRS chủ động hủy kết nối Module SIM548C nhận biết trạng thái kết nối gửi thông báo TE Cả ba trường hợp sử dụng lệnh ―AT+CIPSTART‖ để khởi tạo lại kết nối GPRS 4.3 Lập trình cho vi điều khiển STM32F407 Sau phân tích yêu cầu đề tài, vi điều khiển phải thực công việc: nhận xử lý liệu GPS, gửi liệu qua GPRS Server Do vậy, lưu đồ thuật toán chương trình sau: 79 Luận văn tốt nghiệp Bắt đầu Khởi tạo thông số cho Module SIM548C Đọc giá trị GPS tách chữ “GPRMC” S Chuỗi hợp lệ? Đ S Checksum Đ Tách kinh độ, vĩ độ, thời gian, vận tốc Gửi thông số lên Web Browser S Đ Kết thúc Hình 4.6: Lƣu đồ thuật toán vi điều khiển 80 Luận văn tốt nghiệp Vì liệu GPS thu từ vệ tinh gồm nhiều loại tin khác nên tách lấy chuỗi tin GPRMC, chuỗi tin có chứa thông số thời gian, kinh độ, vĩ độ, tốc độ cần thiết cho đề tài Chuỗi tin GPRMC gửi chuỗi liệu gồm nhiều thông tin khác nhau, đề tài tách lấy thông số kinh độ, vĩ độ, thời gian tốc độ, tin GPRMC có cấu trúc sau: Hình 4.7: Cấu trúc chuỗi tin GPRMC 81 Luận văn tốt nghiệp Bắt đầu Ghi lại vị trí dấu phẩy Tách liệu thời gian dấu phẩy thứ Tách liệu vĩ độ dấu phẩy thứ Tách liệu kinh độ từ dấu phẩy thứ Tách liệu vận tốc từ dấu phẩy thứ Kết thúc Hình 4.8: Lƣu đồ thuật toán tách lấy thông số kinh độ, vĩ độ, thời gian, vận tốc 82 Luận văn tốt nghiệp Vì chuỗi tin GPRMC kết thúc giá trị checksum nên nhóm thực kiểm tra checksum để nhận biết chuỗi tin gửi có đầy đủ thông số xác hay không 4.4 Lập trình phận GSM/GPRS cho SIM548C Bộ phận GSM/GPRS SIM548C có nhiệm vụ chuyển thông số GPS kinh độ, vĩ độ, thời gian, tốc độ v.v… lên Web browser Google Map Client Hình 4.9: Mô hình giao tiếp Client Server Google Map Để trình truyền liệu thành công từ Client lên Website cần thiết lập cấu hình cho module SIM548C Quá trình thiết lập cấu hình thực theo trình tự sau: 83 Luận văn tốt nghiệp Bắt đầu AT+CIPMODE=0 Truyền nhận liệu GPRS dùng lệnh AT Kết thúc AT+CIPSHUT AT+CDNSORIP=1 Định địa gián tiếp thông qua tên miền DNS AT+CIPSEND AT+CIPCSGP=1,”mwap”,”mms”,”mms” AT+CIPSTART Dùng GPRS Mobi Fone AT+CIPSPRT=1 AT+CIPSCONT Thiết lập truyền liệu lệnh AT+CIPSEND Lƣu lại cấu hình thiết lập Hình 4.10: Lƣu khởi tạo cấu hình mặc định cho SIM548C 84 Luận văn tốt nghiệp Chƣơng THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH 5.1 Mô hình thực nghiệm Hoàn thiện hộp đen, thu nhận liệu GPS, hiển thị xác thông tin vị trí Nhận tín hiệu mạng GSM kết nối GPRS Hình 5.1: Mô hình hộp đen xe Mạch hoàn chỉnh, nhỏ gọn tiện dụng Hình 5.2: Thiết bị hộp đen 85 Luận văn tốt nghiệp 5.2 Xây dựng thành công chƣơng trình hiển thị xác vị trí đối tƣợng đồ trực tuyến Trong luận văn này, khảo sát thiết bị gắn xe, xe chạy đoạn đường ngắn thể hình bên dưới: Hình 5.3: Đoạn đƣờng thực nghiệm Hộp đen định vị xác vị trí đối tượng di chuyển đồ trực tuyến Hình 5.4: Vị trí xe đƣợc ghi nhận từ hộp đen 86 Luận văn tốt nghiệp 5.3 Kết thực nghiệm đánh giá sai số thiết bị Gắn thiết bị lên xe so sánh thông số kinh độ, vĩ độ, vận tốc, thời gian v.v hộp đen với thông số đo phần mềm VietMap thiết bị điện thoại di động Bảng 5.1: Bảng thực nghiệm thông số vận tốc hộp đen xe STT Vận tốc từ xe Vận tốc từ hộp Sai số (km/h) đen (km/h) 20 20.3 0.3 20 22.6 2.6 30 29.8 0.2 30 31.7 1.7 40 40.4 0.4 Bảng 5.2: Bảng thực nghiệm thông số kinh độ hộp đen phần mềm VietMap STT Kinh độ từ hộp Kinh độ từ phần đen mềm Sai số 10.507371 10.507385 0.000014 10.506872 10.506866 0.000006 10.506752 10.506589 0.000163 10.506664 10.506689 0.000025 10.506596 10.506496 0.0001 87 Luận văn tốt nghiệp Bảng 5.3: Bảng thực nghiệm thông số vĩ độ hộp đen phần mềm VietMap STT Vĩ độ từ hộp đen Vĩ độ từ phần Sai số mềm 106.384579 106.384489 0.00009 106.384526 106.384567 0.000041 106.384743 106.384638 0.000105 106.384592 106.384724 0.000132 106.384342 106.384794 0.000452 Ngoài ra, xe vượt tốc độ 40 km/h, hộp đen gửi tin nhắn để cảnh báo cho tài xế biết để họ điều chỉnh lại tốc độ xe phù hợp Dưới hình ảnh tin nhắn gửi từ hộp đen Hình 5.5: Tin nhắn cảnh báo vƣợt tốc độ tới ngƣời lái xe Hộp đen lưu lại thông số qua thẻ nhớ Micro SD, file lưu đuôi txt Dưới hình ảnh file liệu 88 Luận văn tốt nghiệp Hình 5.6: Dữ liệu hộp đen đƣợc lƣu thẻ nhớ micro SD 89 Luận văn tốt nghiệp Chƣơng KẾT LUẬN 6.1 Kết luận Sau gắn sản phẩm xe chạy thực nghiệm, hộp đen thu nhận tín hiệu tương đối xác vị trí, kinh độ, vĩ độ, vận tốc,… xe Sản phẩm phần cứng nhỏ gọn, đáp ứng đầy đủ yêu cầu xử lý tín hiệu, truyền tải số liệu, giao tiếp người dùng v.v Tác giả thu thập lượng lớn kiến thức từ việc thiết kế mạch điện viết ứng dụng phần mềm Qua thực tế làm việc, tác giả hiểu sâu hệ thống thông tin di động, định vị GPS mạng lưới thông tin, bên cạnh yếu tố liên quan toán kỹ thuật kinh tế, hiệu giá thành Nhưng bên cạnh đó, tác giả truy cập liệu tọa độ xe thông qua phần mềm trung gian Hercules Tác giả chưa thiết kế trang Web tích hợp thông số vận tốc, thời gian, ngày tháng v.v đồ Google Map 6.2 Những vấn đề tồn Chưa thiết kế trang Web quản lý thông số xe kinh độ, vĩ độ, vận tốc, thời gian, số lần vượt tốc độ, v.v để nhìn thấy phương tiện di chuyển đồ Google Map 6.3 Hƣớng phát triển đề tài Hướng phát triển tích hợp đồ Google Map vào hình LCD inch tương lai 90 Luận văn tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG NƢỚC NGOÀI [1] Mohinder S Grawer, Lawrence R.Weill, Angus P.Andrews; Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration; A John Wiley & Sons, inc Publication, 2001 [2] Ahmed El-Rabbany, Introduction to GPS the Global Positioning System, Artech House, Inc Publication, 2002 [3] SIMCOM Ltd (2007-02-07), SIM548C Hardware Design V1.01, SIMCOM Ltd [4] SIMCOM Ltd (2008-04-30), SIM548C AT Command Set V1.00, SIMCOM Ltd TIẾNG VIỆT [5] http://www.qtv.vn/channel/5154/201312/hieu-qua-ap-dung-he-thong-dinh-vi- gps-vao-quan-ly-tau-du-lich-2293529/ [6] http://vi.wikipedia.org/wiki/JDAM [7] http://vgl.com.vn/san-pham/73.Dinh-vi-xe-may-PT07.html [8] http://www.xemaycongtrinh.com.vn/website/article.aspx?article_id=10480 [9] http://vi.wikipedia.org/wiki/Mikoyan_MiG-AT 91 S K L 0