Đồ án thiết kế hệ thống nhúng, học viện công nghệ bưu chính viễn thông (14)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG VIỆN KINH TẾ BƯU ĐIỆN - - BÁO CÁO ỨNG DỤNG IOT VÀO THIẾT KẾ MƠ HÌNH BÃI XE THƠNG MINH Mơn học: Đồ án thiết kế hệ thống số Giảng viên: Nguyễn Văn Thành Nhóm: 04 Danh sách thành viên: Hà Quang Khải – B17DCDT100 Đào Minh Hiếu – B17DCDT068 Ngơ Quang Trường – B17DCDT192 Trương Đình Quang – B17DCDT152 Nguyễn Đức Lương – B17DCDT118 Hà Nội, Tháng 5/2021 LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần với phát triển kinh tế xã hội Việt Nam, lượng phương tiện giao thông tăng cách nhanh chóng Phương tiện cá nhân tăng lên, địi hỏi diện tích đất dành cho bãi đỗ xe phải tăng theo Tuy nhiên, thành phố lớn Hà Nội, Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Cần Thơ việc đáp ứng yêu cầu quỹ đất ngày tỏ không khả thi giá trị đất tăng nhanh,và nhu cầu đất cho mục đích quan trọng khác thiếu Hiện khu vực trung tâm thành phố lớn, số ô tô phần lớn dừng đỗ vỉa hè, lòng đường gây cản trở giao thông Để giải vấn đề theo xu phát triển giới, bãi xe tự động với nhiều loại hình khác đời Với hệ thống đỗ xe tự động đưa vào sử dụng mang lại nhiều lợi ích cho xã hội, giảm thiểu vấn đề cản trở giao thông, cảnh quan thành phố đặc biệt tiết kiệm thời gian cho người sử dụng ô tô Do khả kiến thức hạn chế nên q trình làm đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót Em mong nhận ý kiến đóng góp q báu thầy, giáo Em xin chân thành cảm ơn! DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt ADC Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu analog sang digital IDE Integrated Development Môi trường lập trình Environment LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng IoT Internet of Thing Vạn vật kết nối internet HTTP HyperText Transfer Protocol IP Giao thức truyền tải siêu văn Internet Protocol Giao thức Internet AP Access Point Điểm truy nhập LAN Local Area Network Mạng cục MAC Media Access Control NIC Network Interface card Điều khiển truy xuất môi trường Cổng giao tiếp mạng ArtificialIntelligence AI TCP QoS Trí tuệ nhân tạo Transport Control Protocol Quality of Service) Giao thức điều khiển truyền dẫn Chất lượng dịch vụ I MỤC ĐÍCH VÀ Ý TƯỞNG THỰC HIỆN Giới thiệu IoT Lần cụm từ “cách mạng công nghiệp 4.0” đưa báo cáo phủ Đức năm 2013 Nó có ảnh hưởng lớn tất quốc gia giới có Việt Nam Cách mạng công nghiệp 4.0 mang đến cho nước ta hội lẫn thách thức rủi ro Vậy cách mạng cơng nghệ 4.0 gì? Tại lại quan trọng đến vậy? Klaus Schwab, người sáng lập chủ tịch điều hành Diễn đàn Kinh tế Thế Giới mang đến nhìn đơn giản Cách mạng Công nghiệp 4.0 sau: "Cách mạng công nghiệp sử dụng lượng nước nước để giới hóa sản xuất Cuộc cách mạng lần diễn nhờ ứng dụng điện để sản xuất hàng loạt Cuộc cách mạng lần sử dụng điện tử công nghệ thông tin để tự động hóa sản xuất Bây giờ, Cách mạng công nghiệp Thứ tư nảy nở từ cách mạng lần ba, kết hợp cơng nghệ lại với nhau, làm mờ ranh giới vật lý, kỹ thuật số sinh học" Công nghiệp 4.0 diễn lĩnh vực gồm Cơng nghệ sinh học, Kỹ thuật số Vật lý Những yếu tố cốt lõi Kỹ thuật số Cách mạng công nghiệp 4.0 là: Trí tuệ nhân tạo (AI), Vạn vật kết nối - Internet of Things (IoT) liệu lớn (Big Data) Hình 1.1: Internet of things Internet of Thing (IoT) hay cụ thể Mạng lưới vạn vật kết nối Internet Mạng lưới thiết bị kết nối Internet liên mạng, thiết bị kết nối với Việc kết nối thực qua Wifi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị điện thoại thơng minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn nhiều thiết bị khác Cisco, nhà cung cấp giải pháp thiết bị mạng hàng đầu dự báo: Đến năm 2020, có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, chí số cịn gia tăng nhiều IoT mạng khổng lồ kết nối tất thứ, bao gồm người tồn mối quan hệ người người, người thiết bị, thiết bị thiết bị Hình 1.1: Ứng dụng thành phố thơng minh Thành phố thông minh ứng dụng IoT tạo tị mị đơng đảo người dân Giám sát thông minh, vận chuyển tự động, hệ thống quản lý lượng thông minh hơn, phân phối nước, an ninh đô thị giám sát môi trường tất ví dụ internet ứng dụng cho thành phố thông minh IoT giúp giải vấn đề gặp phải thành phố lớn ô nhiễm môi trường, tắc nghẽn giao thông thiếu lượng Một ví dụ kể đến thiết bị sử dụng truyền thông di động như: thùng rác thông minh, chúng gửi cảnh báo đến phận vệ sinh môi trường cần dọn Bằng cách cài đặt ứng dụng dùng thiết bị thơng minh hồn tồn dễ dàng tìm thấy xăng, siêu thị, quán ăn hay chí bãi gửi xe miễn phí Ngồi hệ thống điện bảo vệ cảm biến giúp phát nhanh chóng vấn đề gây nhiễu, trục trặc, hay vấn đề lắp đặt Đặt vấn đề Trong thời buổi nay, kỹ thuật công nghệ đại ứng dụng khía cạnh đời sống ngày Với tiêu chí giúp giảm thiểu chi phí tăng xác công tác quản lý vận hành, tầm quan trọng công nghệ phủ nhận, đặc biệt phải kể đến IoT (Internet of Things) IoT mạng lưới kết nối vạn vật, thiết bị không dây kết nối,truyền liệu với thông qua nhiều chuẩn khác Bluetooth, wifi mà khơng có can thiệp người Đi phát triển đó, bãi giữ xe ngày áp dụng nhiều công nghệ khác nhằm thay bãi giữ xe truyền thống vốn đáp ứng lưu lượng xe cộ vào ngày tăng cao, để giúp tiết kiệm chi phí cơng tác quản lý hạn chế mát tài sản Hệ thống bãi giữ xe thông minh đời ứng dụng rộng rãi nhiều quốc gia Mục đích Đề tài “Bãi giữ xe thông minh” thực nghiên cứu để xây dựng mơ hình bãi giữ xe gồm tính kiểm tra vào tự động thẻ RFID, hiển thị vị trí trống bãi xe, tính tốn thời gian vào bãi, tìm vị trí xe đậu nhìn trực quan website Ý tưởng thực Đọc cảm biến để biết bãi đỗ xe trống.Sử dụng thẻ RFID với module RC522 để quản lý xe vào Tất thông tin đưa lên web server để giám sát, cho người sử dụng II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống Khối điều khiển Khối xử lý điều khiển thực việc xử lý liệu từ khối cảm biến, điều khiển khối cảnh báo giao tiếp với MQTT Broker (đóng vai trị MQTT client).Phù hợp với nhu cầu điều khiển có số module sau: ● Arduino Nano, R3, Mega, ESP32… ● Các loại PIC, AVR Bảng 2.1: Bảng so sánh số nhu cầu đồ án module thông dụng làm khối điều khiển trung tâm Nhu cầu ESP32 PIC, AVR… Hệ thống nhỏ Phù hợp Không phù hợp Giá rẻ Phù hợp Phù hợp Tích hợp wifi Có Khơng Cộng đồng hỗ trợ Lớn Nhỏ Hoạt động ổn định Có Có Thiết kế lại mạch Khơng cần Có cần Dễ lập trình Dễ dàng Khó khăn Căn vào bảng so sánh để đáp ứng nhiệm vụ điều khiển, em lựa chọn ESP32 với ưu điểm sau: Ưu điểm ● Giá thành rẻ, phù hợp với sinh viên ● Thích hợp với hệ thống mơ hình nhỏ ● Cộng động hỗ trợ lớn, nhiều mã nguồn mở ● Hoạt động ổn định, tuổi thọ linh kiện cao Trong đề tài này,ESP32 sử dụng để thực nhiệm vụ ESP32 có tốc độ xử lý cao hơn, RAM nhiều số chân GPIO nhiều ESP8266 Dưới thông tin ESP32 - Thông tin chung ESP32 kết hợp WiFi Bluetooth chip Board phát triển Nhờ đó, ESP32 vừa phát tín hiệu điều khiển vừa nhận tín hiệu điều khiển từ thiết bị khác thơng qua Wifi Bluetooth Tối ưu hóa việc tiêu thụ lượng: ESP32 thiết kế để phù hợp với thiết bị di động, thiết bị ứng dụng IoT Được tích hợp bên cảm biến cảm biến nhiệt, biến Hall cảm ứng chạm Hình - Sơ đồ chân ESP32 Thông số kỹ thuật − CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor − Chạy hệ 32 bit − KB RAM RTC tốc độ thấp (dùng chế độ DeepSleep).Tốc độ xử lý 160MHZ up to 240 MHz − Tốc độ xung nhịp đọc flash chip 40Mhz >80Mhz (tùy chỉnh lập trình) − RAM: 520 KByte SRAM liền chip –trong 8KB RAM RTC tốc độ cao − Hỗ trợ giao tiếp không dây − Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i 10 Web a Giới thiệu chung Web trang web người dùng (các client) theo dõi thông số nhịp tim nồng độ oxy cách liên tục thực thiết lập ngưỡng cho nhịp tim tắt cảnh báo tùy theo yêu cầu người sử dụng b Những ngôn ngữ sử dụng HTML/CSS HTML Hyper Text Markup Language - ngôn ngữ đánh dấu siêu văn dùng để cấu trúc nội dung trang Web, ví dụ như: định đoạn văn bản, tiêu đề, bảng liệu, nhúng hình ảnh video vào Web Mỗi trang Web chứa loạt liên kết đến trang khác gọi hyperlinks (siêu liên kết) Mỗi trang tạo từ nhiều tag (thẻ) khác CSS từ viết tắt Cascading Style Sheets, ngôn ngữ thiết kế để xử lý giao diện Web, giúp trang Web đẹp CSS kiểm sốt màu sắc văn bản, phơng chữ, kích cỡ chữ, khoảng cách đoạn văn, hình màu nền, nhiều hiệu ứng khác Javascript Javascript ngôn ngữ thiết kế chủ yếu để thêm tương tác vào trang Web, tạo ứng dụng Web Các chương trình Javascript nhúng trực tiếp vào HTML Web Và tùy vào mục đích cụ thể, script chạy mở trang Web, nhấp chuột, gõ phím, gửi biểu mẫu, cập nhật liệu, giao tiếp với sở liệu… Để nhúng chương trình viết Javascript vào trang HTML, cần thêm tag thuộc tính type Có thể thêm phần phần phần HTML Bootstrap Bootstrap cho phép q trình thiết kế website diễn nhanh chóng dễ dàng dựa thành tố sẵn có typography, forms, buttons, tables, grids, navigation, image carousels… 31 Bootstrap sưu tập miễn phí mã nguồn mở công cụ dùng để tạo mẫu website hoàn chỉnh Với thuộc tính giao diện quy định sẵn kích thước, màu sắc, độ cao, độ rộng…, designer sáng tạo nhiều sản phẩm mẻ tiết kiệm thời gian làm việc với framework trình thiết kế giao diện website IV PHẦN MỀM SỬ DỤNG Arduino IDE Arduino môi trường phát triển tích hợp mã nguồn mở, cho phép người dùng dễ dàng viết code tải lên bo mạch Môi trường phát triển viết Java dựa ngơn ngữ lập trình xử lý phần mềm mã nguồn mở khác Phần mềm sử dụng với bo mạch Arduino Hiện tại, khơng sử dụng cho bo mạch Arduino Genuino mà cịn hàng trăm cơng ty giới sử dụng để lập trình thiết bị họ, bao gồm thiết bị tương đương, Hình - Giao diện Arduino IDE Arduino mơi trường phát triển tích hợp đa tảng, làm việc với điều khiển Arduino để viết, biên dịch tải code lên bo mạch Phần mềm 32 cung cấp hỗ trợ cho loạt bo mạch Arduino Arduino Uno, Nano, Mega, Esplora, Ethernet, Fio, Pro hay Pro Mini LilyPad Arduino Ngôn ngữ phổ quát cho Arduino C C++, phần mềm phù hợp cho lập trình viên quen thuộc với ngơn ngữ Các tính làm bật cú pháp, thụt đầu dịng tự động,… làm cho trở thành thay đại cho IDE khác Bọc bên giao diện đồ họa xếp hợp lý, Arduino sở hữu chức để thu hút nhà phát triển Arduino, mở đường đến đầu thành công thông qua mô-đun gỡ lỗi Tất tính lưu trữ bên vài nút bấm, menu, giúp dễ dàng hiểu điều hướng, đặc biệt với lập trình viên chun nghiệp Ngồi ra, việc tích hợp sưu tập ví dụ mẫu giúp cho người lần đầu tiếp xúc với Arduino làm quen nắm bắt ứng dụng nhanh Trong điều kiện kết nối bo mạch Arduino với máy tính cài đặt driver cần thiết, bạn lựa chọn mơ hình để làm việc nhờ sử dụng menu Tools ứng dụng Sau đó, bắt đầu viết chương trình cách sử dụng mơi trường làm việc thoải mái mà Arduino cung cấp Chương trình bao gồm mảng thư viện phong phú EEPROM, Firmata, GSM, Servo, TFT, WiFi,… Tất nhiên, bạn thêm vào thư viện riêng Các thiết kế kiểm tra, biên dịch với ghi lỗi hiển thị phần giao diện người dùng, cho phép bạn xem lại code Nếu trình gỡ lỗi trả kết khơng có lỗi bắt đầu q trình tải code lên bo mạch thử nghiệm thêm XAMPP Phần mềm XAMPP loại ứng dụng phần mềm phổ biến thường hay lập trình viên sử dụng để xây dựng phát triển dự án website XAMPP thường dùng để tạo máy chủ web (web server)được tích hợp sẵn Apache, PHP, MySQL, FTP Server, Mail Server công cụ phpMyAdmin 33 Đặc biệt, Xampp có giao diện quản lý tiện lợi, cho phép người dùng chủ động bật tắt khởi động lại dịch vụ máy chủ lúc Phần mềm thiết lập phát triển dựa mã nguồn mở Nhìn chung XAMPP xem cơng cụ hồn chỉnh dành cho lập trình viên PHP việc thiết lập phát triển website, tích hợp thành phần quan trọng tương thích lẫn như: − Apache − PHP (tạo môi trường chạy tập tin script *.php) − MySql (hệ quản trị liệu mysql) MQTT HiveMQ HiveMQ tảng truyền nhận liệu dựa giao thức MQTT, kế với đặc tính nhanh, hiệu quả, độ tin cậy cao truyền liệu chiều thiết bị Internet of Things 34 Hình - Mơ hình hoạt động MQTT HiveMQ ClearDB ClearDB dịch vụ sở liệu tốc độ cao, mạnh mẽ đám mây cho ứng dụng chạy với MySQL Hình 10 - Sử dụng MySQL Workbench để quản lý sở liệu 35 V LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN Phần kết nối ESP32 với MQTT Hình 11 - Lưu đồ thuật toán kết nối ESP32 với MQTT lối vào/ra 36 Hình 12 - ESP32 đọc cảm biến gửi lên MQTT 37 Web server kết nối với MQTT Hình 13 - Server nhận liệu gửi qua MQTT 38 VI THIẾT KẾ MƠ HÌNH SẢN PHẨM Sơ đồ nguyên lý Hình 14: Khối xử lý xe vào Hình 15: Khối đọc cảm biến bãi xe 39 Mạch in 3D Hình 16: Mạch cứng khối xử lý xe vào Hình 17: Mạch cứng khối đọc cảm biến 40 Mạch In 2D Hình 18: Mạch 2D khối xử lý xe vào Hình 19: Mạch 2D khối đọc cảm biến 41 Mô hình thực tế 42 Hình ảnh giao diện web Chú thích: − Tính năng: có xe hiển thị màu đỏ − Bảng bên phải thông tin người đỗ xe bãi − Bảng bên trái click vào dòng bảng bên phải thơng tin 43 VII KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN Ưu điểm Ưu điểm hệ thống kể đến như: cảm biến hoạt động xác, hệ thống nhận gửi liệu lên server sau nhận thẻ nhanh, dễ dàng công tác quản lý xe Hạn chế Hiện dùng mức mô hình 16 thẻ, cịn hạn chế việc thêm thẻ khách hàng làm thẻ, cập nhật thông tin chủ sở hữu thẻ Kết luận Sau thực xong đề tài này, nhóm hồn thành tiêu mục đích đặt trước đó: Tìm hiểu kỹ Module ESP32 cảm biến hồng ngoại, giao thức mạng nodejs hay MQTT, cách làm trang web front back end biết cách thiết lập hệ thống bãi đỗ xe thông minh hiển thị lên web xác, liên tục Nâng cao khả làm việc nhóm hồn thành cơng việc theo nhóm Xây dựng hệ thống nhúng bản, biết cách vận dụng kiến thức học để xây dựng sản phẩm thơng minh, giúp ích cho xã hội Phương hướng phát triển Phát triển thêm giao diện cho website trở lên đẹp hơn, xây dựng app để điều khiển thiết bị cách thuận tiện dễ dàng Hoàn thiện thiết kế thêm cho hệ thống bãi đỗ xe để ứng dụng vào thực tiễn phát triển chung cư, siêu thị, khách sạn, nhà hàng 44 LỜI KẾT Để hồn thành đề tài mơn học này, lời em xin cảm ơn chân thành đến tồn thể thầy trường học viện cơng nghệ Bưu Viễn thơng thầy khoa Điện tử, người tận tình hướng dẫn, bảo trang bị cho em kiến thức bổ ích bốn năm học vừa qua Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy trực tiếp hướng dẫn truyền đạt kiến thức quý báu để em hồn thành đề tài Tuy nhiên trình nghiên cứu đề tài,vì kiến thức hạn chế nên em nhiều thiếu sót tìm hiểu đề tài, kính mong nhận thơng cảm góp ý q thầy để đề tài hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 45 ... vật kết nối Internet Mạng lưới thiết bị kết nối Internet liên mạng, thiết bị kết nối với Việc kết nối thực qua Wifi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết. .. National Standards Institute) – Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ Đây đồng thời ngôn ngữ sử dụng phổ biến hệ thống quản lý sở liệu quan hệ hỗ trợ sử dụng công ty lớn công nghệ SQL thường sử dụng cho... học này, lời em xin cảm ơn chân thành đến toàn thể thầy trường học viện cơng nghệ Bưu Viễn thông thầy cô khoa Điện tử, người tận tình hướng dẫn, bảo trang bị cho em kiến thức bổ ích bốn năm học