5.3.1 Thiết kế mạch
Nhóm sử dụng phần mềm Proteus để vẽ mạch nguyên lý của toàn hệ thống, sơ đồ mạch nguyên lý của toàn hệ thông của nhóm nhƣ sau:
Hình 5.9: Sơ đồ mạch toàn bộ hệ thống
5.3.1.1 Sơ đồ mạch khối hạ nguồn
Mạch nguồn chuyển đổi điện áp 12V của acquy trên xe sang 5V để cung cấp nguồn cho các module và linh kiện điện tử. Lƣu ý cấp đúng chiều Input, Output của module LM2596.
56
5.3.1.2 Sơ đồ mạch khối hiển thị
Module I2C LCD 16x2 sử dụng nguồn 5V để hoạt động. Giao tiếp với Arduino qua 2 chân SDA,SCL.
SDA của I2C nối với SDA của Arduino SCL của I2C nối với SCL của Arduino
Hình 5.11: Sơ đồ mạch khối hiển thị
5.3.1.3 Sơ đồ mạch khối định vị
Module GPS NEO – 6MV2 có thể đƣợc cấp nguồn từ 3.3V-5V. Ở mức 3.3V thì module có thể giao tiếp đƣợc. Module giao tiếp với Arduino thông qua 2 chân:
TX nối với RXD2 của Arduino RX nối với TXD2 của Arduino
57
5.3.1.4 Sơ đồ mạch khối cảm biến
Cảm biến khí CO2 MH-Z19 hoạt động ở nguồn 5V. Đọc giá trị nồng độ ppm của khí CO2 trong không khí và nhiệt độ liên tục gửi về bộ xử lý trung tâm. Cảm biến giao tiếp với Arduino thông qua 3 chân:
PWM của cảm biến nối với chân D4 của Arduino TX nối với RXD1 của Arduino
RX nối với TXD1 của Arduino
Cảm biến siêu âm JSN - SR04T hoạt động ở nguồn 5V. Đọc giá trị khoảng cách ở hàng ghế sau gửi về bộ xử lý trung tâm. Khi công tắc xe ở vị trị OFF cảm biến siêu âm bắt đầu thực thi giám sát. Cảm biến giao tiếp với Arduino thông qua 2 chân:
Trig (RX) nối với chân D2 (TX) của Arduino Echo (TX) nối với chân D3 (RX) của Arduino
Hình 5.13: Sơ đồ mạch khối cảm biến
5.3.1.5 Sơ đồ mạch khối công tắc máy
Để lấy đƣợc tín hiệu từ công tắc máy, xác định vị trí ON/OFF của xe. Ta đo tín hiệu điện áp từ công tắc máy của xe bằng cầu phân áp với giá trị điện trở cầu trên là 10 KΩ , giá trị điện trở cầu dƣới là 3.3 KΩ. Tín hiệu điện áp gửi đến chân A0 và đƣợc vi xử lý tính toán xuất ra giá trị điện áp. Từ đó ta xác định đƣợc trạng thái ON/OFF của công tắc máy.
58
Hình 5.14: Sơ đồ mạch khối công tắc máy
5.3.1.6 Khối báo động a. Khối báo động tại chỗ
Để báo động tại chỗ, nhóm sử dụng còi hú 12V sử dụng nguồn từ acquy đến. Giao tiếp với Arduino thông qua 1 chân D6, tín hiệu báo động tại chỗ đƣợc Arduino gửi từ chân D6 đến chân B của Transistor. Mỗi khi có tín hiệu từ chân D6 đến làm Transistor dẫn. Có dòng nhịp mass từ chân C của Transistor chân âm của còi.
\
59
b. Khối báo động từ xa
Để báo động từ xa, nhóm sử dụng module SIM 800L. Theo datasheet của module này thì nguồn đƣợc cấp phải từ 3.7V-4.2V, nhƣng trên thực tế do trong sản xuất hàng loạt nên có những module SIM 800L có thể cấp nguồn đến 5V mới hoạt động. Module SIM 800L nhóm sử dụng đƣợc cấp nguồn 5V để hoạt động. Giao tiếp với Arduino thông qua 2 chân:
TX của module nối với chân RXD3 của Arduino RX của module nối với chân TXD3 của Arduino
Hình 5.16: Sơ đồ mạch khối báo động từ xa
Ngoài chức năng báo động từ xa, thực hiện các tin nhắn và cuộc gọi cảnh báo. Module SIM 800L còn có chức năng truyền dữ liệu đọc đƣợc của cảm biến lên Thingspeak. Thông qua đó ngƣời điều khiển có thể theo dõi đƣợc từ xa, tránh các báo động nhiễu.
60
5.3.2 Thiết kế lƣu đồ thuật toán của hệ thống
Hình 5.17: Lƣu đồ thuật toán của hệ thống
5.3.2.1 Lƣu đồ của chƣơng trình giám sát
61
5.3.2.2 Lƣu đồ chƣơng trình báo động
62 Chƣơng trình nhắn tin và chƣơng trình thực hiện cuộc gọi là chƣơng trình con của chƣơng trình báo động của hệ thống ở giai đoạn 1,2. Để tránh lặp lại lƣu đồ nên nhóm sẽ tiến hành vẽ lƣu đồ thuật toán đại diện của 2 chƣơng trình nhắn tin và cuộc gọi.
a. Lƣu đồ thuật toán chƣơng trình nhắn tin
63 Trong đó:
Lệnh AT+CMGF=1: Chọn chế độ gửi và nhận tin nhắn là dạng văn bản (mặc định trả về là dạng mã hex)
Lệnh AT+CMGS= “xxxxxxx”: Bắt đầu việc gửi tin nhắn tới SĐT xxxxxxx. Sau khi thực hiện lệnh này, module SIM 800L sẽ phản hồi ký tự > chờ nội dung tin nhắn, nội dung tin nhắn ở đây là chuỗi SMS
Chuỗi SMS đây là nội dung tin nhắn đƣợc gửi đến SĐT: bao gồm nội dung cảnh báo và đƣờng dẫn google map dƣới dạng:www.google.com/maps/place/kinhdo,vido . Giá trị kinh độ, vĩ độ sẽ có đƣợc thông qua module định vị GPS NEO 6M-V2.
Sau khi gửi nội dung tin nhắn, ta gửi ký tự Ctrl+Z, tƣơng đƣơng với số nguyên 26 để kết thúc việc gửi tin nhắn.
b. Lƣu đồ thuật toán chƣơng trình thực hiện cuộc gọi
Hình 5.21: Lƣu đồ thuật toán chƣơng trình thực hiện cuộc gọi cảnh báo
Trong đó:
Lệnh ATDxxxxxx: Thực hiện cuộc gọi đến SĐT theo yêu cầu. Lệnh ATH: Kết thục cuộc gọi hiện tại.
64
5.3.2.3 Lƣu đồ thuật toán gửi dữ liệu lên Thingspeak
Hình 5.22: Lƣu đồ thuật toán gửi dữ liệu lên Thingspeak
Trong đó:
Lệnh AT+CIICR: đây là lệnh bắt đầu kết nối GPRS của module SIM 800L. Khi thực hiện lệnh này thì đèn tín hiệu của module SIM 800L chớp tắt liên tục, khác với chế độ nhận sim là 3s chớp tắt 1 lần. Có thể bỏ qua lệnh này vì một số module SIM khi truy cập mạng thì GPRS sẽ tự động bật.
65 Lệnh AT+CIPSTART= “TCP”, “api.thingspeak.com”,80. Đây là lệnh khởi động kết nối TCP của module SIM 800L:
AT+CIPSTART: Cú pháp khởi động kết nối TCP
TCP: Giao thức truyền dữ liệu của module SIM 800L
Api.thingspeak.com: Trang wed mặc định dùng để lƣu giá trị cảm biến 80: Cổng kết nối (Đối với trang Thingspeak mặc định là 80).
Lệnh AT+CIPSEND=50. Đây là lệnh xác nhận gửi dữ liệu: AT+CIPSEND: Cú pháp xác nhận gửi dữ liệu
50: Giá trị độ dài dữ liệu cần gửi (Có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 50) Tiến hành gửi dữ liệu với cú pháp:
GET/update?api_key=PWZ4AQ7QKY579ES&field1=xxx
GET/update?api_key : Cú pháp gửi dữ liệu
PWZ4AQ7QKY579ES&field1: Mã API Keys của channel muốn gửi dữ liệu xxx: Giá trị cảm biến đọc đƣợc ( Đối với mô hình của nhóm bao gồm: nhiệt độ, nồng độ ppm của CO2, toạ độ, giá trị điện áp acquy, tín hiệu công tắc máy).
Sau khi gửi dữ liệu, ta gửi ký tự Ctrl+Z, tƣơng đƣơng với số nguyên 26 để kết thúc việc gửi dữ liệu.
Hình 5.23: Các giá trị của cảm biến gửi lên Thingspeak
Mỗi lần các giá trị đƣợc cập nhật thì các con số ở hình bên trên sẽ thay đổi theo thời gian thực, vì vậy ngƣời dùng có thể dựa vào đó để đánh giá hệ thống trên xe hoạt động có chính xác hay là đang gặp vấn đề mà không cần phải quan sát trực tiếp từ màn hình hiển thị trên xe.
66
5.3.3 Thi công mạch
Sau khi thiết kế mạch nguyên lý của hệ thống, vẽ Layout cho các module, linh kiện điện tử. Nhóm tiếp tục sử dụng phần mềm Proteus sang chế độ PCB Layout để vẽ mạch in cho hệ thống, tiến hành in mạch.
Hình 5.24: Thiết kế mạch in của hệ thống
Thiết kế mạch in xong, nhóm tiến hành in mạch thủ công:
67
5.3.4 Thiết kế hộp cho hệ thống
Để bảo vệ mạch của hệ thống, cũng nhƣ các module cảm biến, linh kiện điện tử. Nhóm thiết kế hộp để đựng toàn bộ mạch.
Hình 5.26: Thiết kế hộp bảo vệ hệ thống
5.3.5 Kết quả thực hiện
68
Hình 5.28: Các bộ phận bên trong mô hình
5.3.6 Thực nghiệm mô hình
Trong các điều kiện cho phép nhóm đã tiến hành chạy thử mô hình để đánh giá: Cấp nguồn cho hệ thống ở ngoài không gian bình thƣờng, giả tín hiệu nồng độ
ppm CO2, cảm biến siêu âm đƣợc đặt cố định để test các chức năng của hệ thống
69 Kết quả đạt đƣợc:
Hình 5.30: Giá trị cảm biến đọc đƣợc gửi lên App trạng thái ON/OFF
Ở trạng thái công tắc máy ON, App có thể theo dõi đƣợc mức điện áp của Acquy, do nguồn cấp để hệ thống hoạt động ở đây nhóm sử dụng là adapter nguồn của máy tính nên giá trị điện áp cao và chênh lệch.
70 Thông qua App theo dõi đƣợc vị trí toạ độ của xe, bảng đồ thị nồng độ phần trăm ppm CO2 từ đó phát hiện đƣợc các trƣờng hợp bất thƣờng nhờ vào đồ thị.
Hình 5.32: Các tin nhắn cảnh báo của hệ thống
Hệ thống tự động gửi các tin nhắn cảnh báo, cuộc gọi đến các số điện thoại đƣợc thiết lập khi có trƣờng hợp khẩn cấp xảy ra. Để tránh trƣờng hợp chỉ gửi cho ngƣời điều khiển ô tô, trƣờng hợp ngƣời điều khiển ô tô không mang theo điện thoại theo. Hệ thống sẽ gửi đến một số điện thoại khác đƣợc thiết lập trƣớc, tin nhắn đƣợc kèm theo địa chỉ google map để biết vị trí toạ độ hiện tại của xe ô tô.
71
5.4 Tính toán giá trị nồng độ ppm của CO2 trong xe ô tô
Đối với hệ thống giám sát báo động từ xa tránh quên ngƣời trên xe thì việc nhận dạng sự hiện diện của con ngƣời trong xe là điều vô cùng quan trọng, nên việc chỉ sử dụng một cảm biến siêu âm sẽ rất dễ gây nên tình trạng nhầm lẫn. Chính vì vậy kiểm soát nồng độ khí CO2 trong xe ô tô dựa vào hoạt động sinh lý hô hấp của con ngƣời sẽ giúp cho việc nhận diện trở nên tƣơng đối chính xác hơn.
Thực tế không gian bên trong ô tô giống nhƣ một chiếc hộp kín, khi xe tắt máy thì sự trao đổi khí bên trong và bên ngoài xe sẽ rất khó diễn ra hoặc nếu có thì rất ít. Điều này giải thích cho việc vì sao có ngƣời gặp nguy hiểm khi nghỉ ngơi trong xe ô tô một thời gian dài mà không hé mở cửa kính ô tô. Do đó, tính toán lƣợng khí CO2 là điều kiện cần thiết để đảm bảo không khí trong xe luôn đảm bảo cho việc hô hấp, từ đó xác định ngƣỡng cần thiết để cho hệ thống báo động. Tuy nhiên vì điều kiện thực tế nên nhóm chƣa thể thực hiện thí nghiệm trên xe ô tô để xác định chính xác khoảng thời gian hít thở làm tăng nồng độ ppm của CO2 đến mức nguy hiểm (Mỗi loại xe ô tô có các kích cỡ khác nhau, thể trạng sức khoẻ mỗi ngƣời khác nhau nên lƣợng hít thở trong xe cũng khác nhau). Nhóm quyết định dựa vào các giả thiết thông qua các dữ liệu mà nhóm đọc đƣợc để tính toán:
Đầu tiên giả sử khoảng không gian bên trong ô tô là một chiếc hộp kín có thể tích từ 3m3 – 3.5m3 và hoàn toàn không có sự trao đổi khí với môi trƣờng bên ngoài khi xe tắt máy. Nồng độ phần trăm của khí CO2 trong không khí là 0.04% và trung bình cứ mỗi phút con ngƣời thở ra 200ml – 315ml khí CO2 [13]. Mục đích tính toán của nhóm là theo dõi sự tăng lên của nồng độ CO2 đồng thời kết hợp với cảm biến siêu âm dùng để phát hiện ngƣời bị bỏ quên trên xe ở hàng ghế sau.
Gọi A là nồng độ ppm CO2 hiện tại mà cảm biến đo đƣợc với đơn vị ppm (parts per million – Phần trên triệu). Nồng độ ppm CO2 sau khoảng thời gian 10 phút sẽ là:
6 0, 2x10 A x10 A 570(ppm) 3500 ~ A 0,315x10x106 A 1050(ppm) 3000
Vậy với 10 phút thì nồng độ CO2 trong xe tăng từ 570 ppm đến 1050 ppm, ngƣỡng nguy hiểm khi nồng độ đạt giá trị lớn hơn 40000 ppm. Trƣờng hợp trẻ em bị bỏ quên trong xe nên đƣợc phát hiện sớm vì thế hoạt động cảnh báo sẽ kích hoạt khi giá trị nồng độ CO2 đo đƣợc lớn hơn giá trị nồng độ CO2OFF + 600 ppm.
72
5.5 Hiển thị dữ liệu lên app Inventer 2
Mỗi giá trị cảm biến gửi lên Thingspeak thành công sẽ lƣu lại để ngƣời sử dụng theo dõi. Do đó muốn kiểu tra chi tiết thời gian, giá trị cũng nhƣ thứ tự của lần gửi đó ta sử dụng link truy cập có sẵn mà Thingspeak cung cấp:
Hình 5.33: Vị trí link Thingspeak cung cấp để xem thông tin dữ liệu
Giá trị cảm biến gửi lên Thingspeak là mỗi chuỗi dữ liệu hỗn hợp bao gồm thông tin về Channel của ngƣời khởi tạo, thời gian, số lần gửi và giá trị của lần gửi cuối. Vì vậy, ta cần sử dụng một vài công cụ có sẵn trên ứng dụng Inventer 2 để tách giá trị mong muốn nhƣ:
Hình 5.34: Khổi tách chuỗi sử dụng trong ứng dụng Inventer 2
Đây là công cụ rất hữu ích đƣợc cung cấp sẵn giúp ngƣời dùng có thể tách giá trị theo yêu cầu một cách dễ dàng.
73
Ví dụ: Khối block để tách giá trị nồng độ CO2 từ chuỗi dữ liệu hỗn hợp. Vì mỗi chuỗi kết quả trả về là khác nhau nên cần thực nghiệm để có kết quả chính xác, với các giá trị cảm biến khác làm tƣơng tự.
Hình 5.35: Kết hợp một số khối để lấy kết quả giá trị nồng độ CO2
Dƣới đây là các khối lệnh phục vụ cho việc lấy dữ liệu từ trang Thingspeak xuống để hiện thị lên App Inventer 2:
74
5.6 Hƣớng dẫn sử dụng phần mềm giám sát từ xa
Giao diện khi mới mở phần mềm lên:
Hình 5.37: Giao diện khi mở phần mềm
Để đăng nhập vào App thì mỗi ngƣời điều khiển xe ô tô sẽ đƣợc tạo một tài khoản theo yêu cầu cá nhân. Theo mặc định thì nhóm sử dụng tài khoản nhƣ sau:
75 Sau khi đăng nhập xong, đây chính là giao diện giới thiệu của App, để qua giao diện theo dõi của App ta nhấp vào icon này.
Hình 5.39: Giao diện giới thiệu của App
76 Đây là giao diện theo dõi của App, hình trên là giao diện khi chƣa có giá trị cập nhật của hệ thống gửi lên Thingspeak. Chu kì cứ mỗi 24s/1 lần, App sẽ cập nhật giá trị do phụ thuộc vào tốc độ GPRS của module SIM 800L.
Trong đó, các giá trị thể hiện nhƣ sau:
Engine: Tại đây thể hiện trạng thái ON/OFF của xe
Battery: Tại đây thể hiện điện áp đo đƣợc của Acquy khi công tắc máy ở vị trí ON : Giá trị nồng độ phần trăm ppm của CO2 trong xe
: Giá trị nhiệt độ trong xe
: Muốn xem đƣợc đồ thị của nồng độ ppm của CO2 ta bấm vào icon này : Muốn xem vị trí toạ độ của xe ô tô hiện tại, ta bấm vào icon này
Hình 5.41: Giao diện giám sát của App khi giá trị đƣợc cập nhật
Hình bên trên là giao diện giám sát của App khi giá trị đƣợc cập nhật. Lƣu ý, khi sử dụng App thì điện thoại phải có kết nối Internet mới truy cập đƣợc. Lúc đó giá trị đƣợc cập nhật, kết quả giám sát mới chính xác.
77
CHƢƠNG 6 . KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận
Sau quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án tốt nghiệp cùng với sự hƣớng dẫn tận tình của GVHD Th.S Nguyễn Trọng Thức. Nhóm đã hoàn thành đề tài của mình, kết quả là mô hình hệ thống giám sát, báo động từ xa tránh quên ngƣời trên xe. Trong thời gian nghiên cứu, cũng nhƣ thực hiện đề tài nhóm đã hoàn thiện về mặt kiến thức của mình,