4.2 Phân tích thiết kế mơ hình cơ bản
4.2.1 Yêu cầu về thiết kế
4.2.1.1 Phần cứng
Phần mạch được sử dụng là mạch Raspberry Pi là từ để chỉ các máy tính chỉ có một board mạch (hay cịn gọi là máy tính nhúng) kích thước chỉ bẳng một thẻ tín dụng, được ứng dụng nhiều mơ hình khác nhau trong thực tế.
Đánh vào những hạn chế còn được thể hiện trên các thiết bị theo dõi sức khỏe, tình trạng mệt mỏi, buồn ngủ tương tự khác trên thị trường. Ta sẽ khắc phục những hạn chế như sau:
Cấu tạo thiết bị nhỏ gọn, phù hợp với đa số các dòng xe khác nhau. Âm thanh cảnh báo được lập trình Tiếng Việt.
Phần nguồn được tích hợp vào ơ tơ.
Tín hiệu cảnh báo trực quan, giúp tài xế cảm thấy thoải mái, không áp lực khi sử dụng thiết bị.
Tín hiệu khẩn cấp giúp giao tiếp đến người xung quanh khi người lái gặp vấn đề về sức khỏe.
Vấn đề sạc rời cịn khá phổ biến có thể gây nhiều khó khăn cho thiết bị theo dõi, khi người lái xe phải đi những cung đường xa mà lượng pin rời khó đáp ứng được cho thiết bị. Vì lý do đó, việc tích hợp nguồn pin của thiết bị theo dõi trực tiếp lên xe ô tô là rất cần thiết.
Cấu tạo, chi tiết thiết bị phải ở mức tối giản, dễ sử dụng để tiếp cận, đáp ứng được với hầu hết tất cả mọi người khi sử dụng thiết bị này. Có thể theo dõi được người lái kể cả khi đeo kính và âm thanh cảnh báo được thiết lập bằng Tiếng Việt giúp dễ dàng sử dụng.
49
Thiết bị cảnh báo phải tạo ra tín hiệu mang tính cảnh báo và đảm bảo được khả năng đánh thức cho người lái xe. Ngồi ra, cịn phát triển thêm bộ cảnh báo giao tiếp người xung quanh khi người lái xe gặp nạn trong tình trạng nguy cấp.
4.2.1.2 Phần mềm Python: Python:
Python là một trong những ngơn ngữ lập trình thiên hướng đối tượng bậc cao. Loại ngơn ngữ này được sử dụng cho q trình phát triển ứng dụng và các website khác nhau. Ngôn ngữ này được tạo ra bởi Guido van Rossum và đã được ơng phát triển nó trong một dự án mở.
Là ngôn ngữ thông dịch cấp cao:
Khi sử dụng Python người dùng không cần làm những nhiệm vụ khó khăn như quản lý bộ nhớ, dọn dẹp dữ liệu vô nghĩa. Khi chạy code Python sẽ tự động chuyển đổi code thành dạng ngơn ngữ máy tính có thể hiểu.
Khả năng di chuyển:
Hầu hết, chương trình Python đều có thể di chuyển từ nhiều nền tảng khác nhau như: Windows, macOS, Linux mà khơng có bất kỳ thay đổi nào. [4]
OpenCV:
OpenCV (Open Computer Vision) là một thư viện mã nguồn mở hàng đầu cho xử lý về thị giác máy tính, machine learning, xử lý ảnh. Là một sản phẩm được cấp phép BSD, OpenCV giúp các doanh nghiệp dễ dàng sử dụng và sửa lỗi mã.
Dự án OpenCV này được bắt đầu thực hiện vào năm 1999 tại Intel bởi Gary Bradsky.
Ứng dụng: Nhận dạng ảnh
50 Xử lý hình ảnh
Phục hồi hình ảnh/video Thực tế ảo
Các ứng dụng khác…
Khả năng di chuyển: Opencv có các giao diện cho C/C++, Python Java vì vậy hỗ trợ được cho Window, Linux, MacOs lẫn Android, iOS OpenCV. [4]
Autodesk Inventor:
Autodesk Inventor là phần mềm thiết kế mơ hình chất rắn cơ học 3D được phát triển bởi Autodesk để tạo ra các nguyên mẫu kỹ thuật số 3D.
Được sử dụng để thiết kế cơ khí 3D, giao tiếp thiết kế, tạo dụng cụ và mô phỏng sản phẩm. Phần mềm này cho phép người dùng tạo ra các mơ hình 3D chính xác để hỗ trợ thiết kế, hình dung và mơ phỏng các sản phẩm trước khi chúng được chế tạo.
Phần mềm hỗ trợ mô phỏng chuyển động. Các công cụ mô phỏng này cho phép người dùng thiết kế ô tô hoặc các bộ phận ô tô.
51
4.2.2 Sơ đồ khối tổng quan
Hình 4.15: Sơ đồ khối tổng quan ngun lý của mơ hình Chú thích:
Modul relay: Chân COM nối nguồn 12V. Được kết nối trực tiếp tất cả các nhân GPIO với mạch chính song đảm nhiệm nhiệm vụ input/output GPIO giúp mạch chính.
Thiết bị cảnh báo khẩn cấp: Chân dương nối vào chân NO của relay, chân âm được cấp mass sẵn.
52
4.2.3 Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của hình 4.15 là khi cơng tắc bật chế độ “ON” Mạch Raspberry pi 4 được khởi động cấp nguồn làm Camera pi được hoạt động Chương trình lập trình được nạp trên mạch hoạt động Camera pi thu nhận thơng tin hình ảnh của người lái xe liên tục Khi phát hiện người lái xe có dấu hiệu bất thường có 3 trường hợp.
Trường hợp 1: Dấu hiệu người lái xe nhắm mắt 3 giây trở lên
Khi người lái xe nhắm mắt từ 3 giây trở lên Camera thu nhận thông tin bất thường Mạch tiếp nhận và xử lý Gửi tín hiệu đi Audio output jack 3.5mm nhận tín hiệu Loa nhắc nhở hoạt động Cảnh báo nhắc nhở người lái xe Th_1.1. (Nhắc nhở lần 1 “hãy cẩn thận”)
Khi người lái xe nhắm mắt từ 7 giây trở lên Camera thu nhận thông tin bất thường Mạch tiếp nhận và xử lý Gửi tín hiệu đi Audio output jack 3.5mm nhận tín hiệu Loa nhắc nhở hoạt động Cảnh báo nhắc nhở người lái xe Th_1.2. (Nhắc nhở lần 2 “hãy dừng xe và nghỉ ngơi”)
Nếu thời gian cảnh báo nhắc nhở ban đầu vượt quá 12 giây, mà người lái xe vẫn chưa quay về trạng thái bình thường Mạch tiếp nhận và xử lý Gửi tín hiệu đi Audio output jack 3.5mm nhận tín hiệu Loa nhắc nhở hoạt động Cảnh báo nhắc nhở người lái xe Th_1.3. (Nhắc nhở lần 3 “tiếng bíp dài”) Modul relay nhận tín hiệu, cuộn relay được cấp điện làm đóng chân NO (chân COM đã kích nguồn 12V) Bảng chữ led cầu cứu, còi xe, đèn khẩn cấp (được cấp Mass sẵn) Hoạt động cảnh báo khẩn cấp với người xung quanh.
Trường hợp 2: Mất nhận diện người lái xe
Các trường hợp mất nhận diện người lái xe: (1) Đầu người lái xe quay xung quanh, (2) Gục đầu buồn ngủ, (3) các trường hợp nguy cấp như bị ngất, hôn mê...
53
Khi không nhận diện được khuôn mặt người lái xe trong 3 giây Camera thu nhận thông tin bất thường Mạch tiếp nhận và xử lý Gửi tín hiệu đi Audio output jack 3.5mm nhận tín hiệu Loa nhắc nhở hoạt động Cảnh báo nhắc nhở người lái xe Th_2.1. (Nhắc nhở lần 1 “hãy chú ý”)
Khi không nhận diện được khuôn mặt người lái xe trong 7 giây Camera thu nhận thông tin bất thường Mạch tiếp nhận và xử lý Gửi tín hiệu đi Audio output jack 3.5mm nhận tín hiệu Loa nhắc nhở hoạt động Cảnh báo nhắc nhở người lái xe Th_2.2 (Nhắc nhở lần 2 “hãy dừng xe và nghỉ ngơi”)
Nếu thời gian cảnh báo nhắc nhở ban đầu vượt quá 12 giây, mà người lái xe vẫn chưa quay về trạng thái bình thường Mạch tiếp nhận và xử lý Gửi tín hiệu đi Audio output jack 3.5mm nhận tín hiệu Loa nhắc nhở hoạt động Cảnh báo nhắc nhở người lái xe Th_2.3 (Nhắc nhở lần 3 “tiếng bíp dài”) Modul relay nhận tín hiệu, cuộn relay được cấp điện làm đóng chân NO (chân COM đã kích nguồn 12V) Bảng chữ led cầu cứu, còi xe, đèn khẩn cấp (Đã được cấp Mass sẵn) Hoạt động cảnh báo khẩn cấp với người xung quanh.
Trường hợp 3: Cảnh báo nhịp tim
Khi nhịp tim được theo dõi của người lái xe vượt quá ngưỡng 50-100 bpm trong khoảng thời gian 3 giây Camera thu nhận thông tin bất thường Mạch tiếp nhận và xử lý Gửi tín hiệu đi Audio output jack 3.5mm nhận tín hiệu Loa nhắc nhở hoạt động Cảnh báo nhắc nhở người lái xe Th_3.1. (Nhắc nhở lần 1 “nhịp tim không ổn định, cần chú ý”)
Khi nhịp tim được theo dõi của người lái xe vượt quá ngưỡng 50-100 bpm trong khoảng thời gian 7 giây Camera thu nhận thông tin bất thường Mạch tiếp nhận và xử lý Gửi tín hiệu đi Audio output jack 3.5mm nhận tín hiệu Loa nhắc nhở hoạt động Cảnh báo nhắc nhở người lái xe Th_3.2. (Nhắc nhở lần “hãy dừng xe và kiểm tra sức khỏe + tiếng bíp bíp bíp”)
54
Nếu thời gian cảnh báo nhắc nhở ban đầu vượt quá 12 giây, mà người lái xe vẫn chưa quay về trạng thái bình thường Mạch tiếp nhận và xử lý Gửi tín hiệu đi Audio output jack 3.5mm nhận tín hiệu Loa nhắc nhở hoạt động Cảnh báo nhắc nhở người lái xe Th_3.3. (Nhắc nhở lần 3 “tiếng bíp dài”) Modul relay nhận tín hiệu, cuộn relay được cấp điện làm đóng chân NO (chân COM đã kích nguồn 12V) Bảng chữ led cầu cứu, cịi xe, đèn khẩn cấp (Đã được cấp Mass sẵn) Hoạt động cảnh báo khẩn cấp với người xung quanh.
4.3 Thiết kế xây dựng mơ hình thiết bị
Để tạo ra thiết bị có khả năng làm việc theo yêu cầu thiết kế và hoạt động theo nguyên lý, nhóm đã nghiên cứu và tiến hành thiết kế, khảo sát, thử nghiệm chức năng từng khối, sau đó ghép nối chúng với nhau tạo thành một bo mạch phần cứng hoàn chỉnh, bao gồm các modul phần cứng. Sau đó tất cả được thiết kế đặt trong 1 hộp vỏ thiết kế trước đó tạo thành mơ hình hồn chỉnh.
4.3.1 Sơ đồ cấu tạo
55
Khi cấp nguồn, dây nguồn sẽ được nối với mạch xử lý thông qua công tắc khởi động.
Cơng tắc đóng lại điện đi qua cơng tắc là cấp nguồn điện cho mạch. Mạch xử lý Raspberry Pi 4 nuôi nguồn camera, camera hoạt động và liên tục thu nhận hình ảnh.
Các ảnh thơ đã thu lại, được lưu trữ và xử lý đưa ra tín hiệu cảnh báo. Khi có tín hiệu cảnh báo đi qua chân GPIO 17 được lập trình để điều khiển relay thơng qua mạch điều khiển relay. Mạch điều khiển relay nhận tín hiệu, thực hiện cấp nguồn cho cuộn làm relay hoạt động, đóng chân NO. Nguồn đi từ chân COM qua chân NO và đi đến thiết bị cảnh báo như hình 4.16.
56
4.3.2 Bản vẽ chi tiết có kích thước các bộ phận mơ hình
57
58
59
60
61
62
63
64
Hình 4.25: Tất cả bộ phận của mơ hình:
1- Camera; 2- Công tắc khởi động; 3- Loa; 4- Mạch xử lý điều khiển; 5- Mạch relay; 6- Dây cáp FFC camera; 7- Chuôi cắm âm thanh 3.5 loa; 8- Jack USB nguồn
loa; 9- Chuôi cắm nguồn USB type-C; 10, 11- Nắp, vỏ thiết bị; 12- Mơ hình hồn chỉnh.
Bước 1: Chuẩn bị các bộ phận chính của thiết bị được mơ tả trên hình 4.25 như len camera, cơng tắc, loa, mạch xử lý raspberry pi 4, mạch relay, dây cáp FFC camera, chuôi cắm âm thanh loa, Jack USB nguồn loa, chuôi cắm nguồn USB type- C, khung và nắp mơ hình.
Bước 2: Kết nối các phần bên trong của camera lại với nhau thành cụm. Bước 3: Lắp cụm bộ phận vào khung vỏ.
1 2 3 4 5
6 7 8 9
65 Bước 4: Hoàn thiện sản phẩm.
4.3.3 Cấu tạo phần cứng của mơ hình
4.3.3.1 Mạch Raspberry Pi 4 Model B (8GB)
Hình 4.26: Cấu tạo mạch Raspberry Pi 4 Model B (8GB):
1- RAM bộ nhớ tạm (8GB); 2- Bộ xử lý BCM2711; 3- 40 Chân đầu vào/ đầu ra GPIO; 4- Bộ thu, nhận sóng 2 kênh 2.4/5 Wi-Fi, Bluetooth 5.0 & BLE; 5- Khe cắm
thẻ nhớ Micro SD; 6- Cổng MIPI DSI (Màn hình); 7- Led báo hoạt động (màu xanh); 8- Led báo nguồn (màu đỏ); 9- USB Type C cấp nguồn; 10- 2 Cổng microHDMI; 11- Cổng MIPI CSI (Camera); 12- Audio, Video Composite 3.5mm
Jack; 13- 2 cổng USB 2.0; 14- 2 cổng USB 3.0; 15- Cổng mạng Ethernet LAN. (Nguồn internet)
Raspberry Pi ở hình 4.26 là một máy tính rất nhỏ gọn, kích thước hai cạnh như bằng khoảng một cái thẻ ATM và chạy hệ điều hành Linux. Raspberry Pi được phát triển bởi Raspberry Pi Foundation - một tổ chức phi lợi nhuận.
Với Raspberry Pi, bạn chỉ cần cài hệ điều hành, gắn chuột, bàn phím và màn hình là có thể sử dụng như một máy vi tính. Raspberry Pi khơng hồn tồn có thể
2 1 3 15 5 4 6 7 8 9 10 11 12 13 14 16
66
thay thế được máy tính để bàn hoặc laptop nhưng nó là một thiết bị đa năng có thể được sử dụng cho những hệ thống điện tử, thiết lập hệ thống tính tốn, những dự án DIY… với chi phí hợp lí.
RAM (Bộ nhớ tạm)
RAM được viết tắt từ Random Access Memory, một trong những yếu tố hết sức quan trọng bên cạnh vi xử lý. RAM là bộ nhớ tạm của máy giúp lưu trữ thông tin hiện hành để CPU có thể truy xuất và xử lý. bộ nhớ RAM là thiết bị trung gian giữa các tệp tin hệ thống bao gồm ROM và vi xử lý với nhiệm vụ là cung cấp các thông tin, tác vụ và các dịng lệnh càng nhanh càng tốt. Những thơng tin mà vi xử lý cần sẽ được lưu trữ trên RAM để chờ được truy nhập, có thể là tệp tin của hệ điều hành, dữ liệu của ứng dụng, đồ họa, các tác vụ thường hay bất cứ thứ gì cần được truy xuất ngay lập tức.
Bộ nhớ của RAM thấp hơn bộ nhớ của ổ cứng khá nhiều, tuy nhiên RAM lại là nơi để CPU lấy dữ liệu để xử lý nên tốc độ ghi và đọc trong RAM rất nhanh. RAM đóng vai trị quyết định đối với khả năng thực thi đa nhiệm. Dung lượng RAM càng lớn, chu kỳ bộ nhớ càng nhanh… thì thiết bị có thể chạy cùng lúc nhiều ứng dụng càng thoải mái. Nếu dung lượng RAM không đủ, máy sẽ gặp phải hiện tượng giật lag hoặc treo do số lượng các tác vụ lớn gây tràn bộ nhớ.
Bộ vi xử lý CPU (BCM2711)
Bộ vi xử lý (viết tắt của Central Processing Unit là CPU, hay cịn có tên khác là CHIP) là bộ vi xử lý trung tâm của mạch. CPU đóng vai trị như bộ não của máy có chức năng chính là xử lý thơng tin, dữ liệu, thao tác điều kiện đầu vào của mạch. Từ khái niệm ta có thể thấy, CPU được coi là não bộ của cả bộ mạch, có chức năng xử lý mọi thơng tin và dữ liệu nhập và. Giúp Mạch có thể vận hành và xử lý chơn chu mọi tác vụ yêu cầu.
Chip Broadcom BCM2711 chứa bộ xử lý ARM Cortex-A53 lõi tứ 64-bit tốc độ 1,5 GHz.
67
Chân GPIO (40 chân)
Hình 4.27: Chức năng các chân GPIO mạch Raspberry Pi 4 (Nguồn internet)
Bo mạch raspberry pi 4 model B bao gồm hai chân 5V, hai chân 3V3 và 7 chân nối đất (0V) như hình 4.27:
5V: Chân 5v xuất ra 5v từ cổng USB Type-C.
3.3V: Chân 3v dùng để cấp nguồn 3.3v ổn định cho các linh kiện bên ngoài. GND: Chân nối đất thường được gọi là GND.
68
Raspberry Pi 4 GPIO Pinout có 40 chân: 26 chân GPIO, hai chân 5V, hai chân 3V3 và 7 chân nối đất (0V) mơ tả ở mạch điện hình 4.28.
Các chân GPIO của RPI 4 có khả năng tạo ra đầu ra PWM và bo mạch hỗ trợ các giao thức truyền thông nối tiếp SPIs, I2C và UART.
GPIO được viết tắt từ General Purpose Input Output nghĩa là “chân đầu ra, đầu vào có mục đích chung” Các chân này được sử dụng để kết nối bo mạch Raspberry pi với các thiết bị ngoại vi đầu vào/đầu ra bên ngoài. Các chân GPIO khơng có bất kỳ chức năng cụ thể nào nên các chân này có thể được tùy chỉnh bằng phần mềm.
Bộ thu, nhận sóng 2 kênh 2.4/5 Wi-Fi, Bluetooth 5.0 & BLE
Mạng Wifi băng tần kép có khả năng hạn chế tối thiểu hiện tượng nhiễu, đồng thời cho phép cải thiện hiệu năng của mạng WiFi và giảm hiện tượng nghẽn mạng do