(TIỂU LUẬN) hệ thống theo dõi nồng độ cồn và xác định vị trí của người điều khiển ô tô
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.14 MB, 48 trang )
Chương 1: Tổng quan về hệ thống.
1.1 Đặt vấn đề:
Các ứng dụng IoT đang ngày càng thúc đẩy sự phát triển của các nền tảng số,
tạo ra các hệ thống hỗ trợ cuộc sống, cung cấp các dịch vụ hỗ trợ trong nhiều hoạt
động hàng ngày, hoạt động tăng cường an toàn và an ninh, cũng như các hệ thống
giám sát sức khỏe, y tế.
Sử dụng rượu bia là một thói quen trong văn hóa truyền thống của nhiều quốc
gia, trong đó có Việt Nam. Ở Việt Nam, xu hướng sử dụng rượu bia và các loại đồ
uống có cồn khác trong sinh hoạt hằng ngày, trong những dịp lễ, hội, trong các quan
hệ công việc… đang ngày càng gia tăng. Thậm chí, Việt nam đã trở thành quốc gia có
mức tiêu thụ rượu bia vơ cùng cao, đứng thứ 2 ở Đơng Nam Á, chỉ sau Thái Lan.
Ngồi việc là nguyên nhân của nhiều mã bệnh, sử dụng rượu, bia cũng khi tham gia
giao thông cũng là nguyên nhân chính của các vụ tai nạn giao thơng nghiêm trọng ở
nước ta hiện nay.
Do đó, chúng tơi thực hiện đề tài “Hệ thống theo dõi nồng độ cồn và xác định
vị trí của người điều khiển ơ tơ” nhằm mang lại những chức năng cần thiết để đảm
báo tính mạng và sức khỏe cũng như giúp người sử dụng rượu, bia nhận thức được sức
khỏe của bản thân trước khi tham gia giao thông.
1.2 Mục tiêu.
“Hệ thống theo dõi nồng độ cồn và xác định vị trí của người điều khiển ô
tô” là thiết bị giúp người dùng kiểm tra, ngăn không cho người sử dụng ô tô tham gia
giao thông khi nồng độ cồn trong hơi thở vượt quá nồng độ cho phép, cũng như cảnh
báo cho người thân biết các thơng số về vị trí, nồng độ cồn thơng qua giao diện Web
để có những giải pháp kịp thời, phòng tránh sự cố hiệu quả nhất. Đề tài sử dụng Board
32F411EDISCOVERY làm bộ xử lý trung tâm, các cảm biến nồng độ cồn MQ3, cảm
biến GPS Neo 6M sẽ đo các thông số cần thiết để truyền các tín hiệu về trung tâm xử
lý, kết hợp với module ESP8266 để nhận tín hiệu từ trung tâm sẽ đưa các thơng số lên
Web để người thân có thể quan sát và kịp thời có những giải pháp phù hợp.
1.3 Nội dung nghiên cứu.
Ở đề tài “Hệ thống theo dõi nồng độ cồn và xác định vị trí của người điều
khiển ô tô” chúng tôi thực hiện nghiên cứu các nội dung sau:
Nội dung 1: Phân tích, lựa chọn giải pháp cho đề tài.
Nội dung 2: Thiết kế sơ đồ khối, lựa chọn linh kiện phù hợp cho đề tài.
Nội dung 3: Thiết kế hệ thống điều khiển, giao diện Web.
Nội dung 4: Nội dung đạt được và đánh giá.
1.4 Bố cục đề tài.
Trong bản báo cáo, nhóm nghiên cứu đã cố gắng trình bày một cách thật logic
để người đọc có thể hiểu rõ được kiến thức, phương thức cũng như cách thức hoạt
động của đề tài. Bố cục bản báo cáo được nhóm chia làm 3 chương như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung
nghiên cứu, bố cục của đề tài.
Chương 2: Thiết kế hệ thống. Chương này nói về sơ đồ khối, thuật toán
của hệ thống và những lý thuyết liên quan đến đề tài bao gốm kiến thức
về các linh kiện, thiết bị được sử dụng trong các hệ thống như mạch điều
khiển, các thiết bị ngoại vi, các cảm biến và đọc dữ liệu từ cảm biến.
Chương 3: Giao diện Web, thực nghiệm và đánh giá. Chương này sẽ
trình bày kết quả thực nghiệm đồng thời đưa ra những nhận xét, đánh giá
và hướng phát triển đề tài.
Chương 2: Thiết kế hệ thống.
2.1 Sơ đồ khối của hệ thống:
Từ yêu cầu của đề tài, chúng tôi đã thiết kế sơ đồ hoàn chỉnh cho hệ thống,
được trình bày như hình sau:
Hình: Sơ đồ khối của hệ thống.
Giải thích các khối:
-
Khối xử lý trung tâm: Gồm một board 32F411EDISCOVERY, có nhiệm vụ
nhận tín hiệu từ khối đo nồng độ cồn, khối xác định vị trí và khối theo dõi,
xử lý và gửi tín hiệu điều khiển sang khối động cơ và dữ liệu đến khối theo
dõi.
-
Khối đo nồng độ cồn: Gồm một module MQ3, có nhiệm vụ đo nồng độ cồn
trong hơi thở và gửi tín hiệu về trung tâm xử lý.
-
Khối xác định vị trí: Gồm một module GPS Neo 6M, thực hiện công việc
xác định tọa độ (vĩ độ và kinh độ) và thời gian, gửi tín hiệu về trung tâm xử
lý.
-
Khối theo dõi: Gồm một board ESP8266 Node MCU V1.0, có nhiệm vụ đưa
các dữ liệu về nồng độ cồn, thời gian, tọa độ lên giao diện Web để quan sát
cũng như gửi yêu cầu điều khiển động cơ từ giao diện Web về khối xử lý
trung tâm.
-
Khối động cơ: Gồm một động cơ , mô phỏng động cơ của ô tô.
-
Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện cho cả hệ thông hoạt động, gồm một bộ
nguồn chỉnh lưu 220VAC thành nguồn 12VDC-5A và một module điều
khiển động cơ L298n.
2.2 Cơ sở lý thuyết.
2.2.1 Bộ xử lý trung tâm:
2.2.1.1
Board 32F411DISCOVERY
Board 32F411EDISCOVERY là sản phẩm của công ty STMicroelectronics,
được thiết kế dựa trên vi điều khiển STM32F411VET6. Ngoài vi điều khiển
STM32F411VET6, board cịn tích hợp một cơng cụ gỡ lỗi nhúng ST-Link V2, một con
quay hồi chuyển, một la bàn điện tử, micro kĩ thuật số, đầu nối OTG Micro-AB, các
đèn Led, nút nhấn,... Có thể thấy, Board 32F411E DISCOVERY giúp người dùng có
thể sử dụng và lập trình các bài tốn một cách đơn giản và nhanh chóng nhất.
Hình: Board STM32F411E-DISCO.
Các thông số cụ thể của board:
-
Lõi vi điều khiển: STM32F411VET6.
-
1 USB OTG FS.
-
1 con quay hồi chuyển kỹ thuật số 3 trục.
-
1 gia tốc kế tuyến tính kỹ thuật số 3D và cảm biến từ tính.
-
1 micro kĩ thuật số.
-
1 audio DAC tích hợp trình điều khiển loa class-D.
-
8 đèn LED:
+LD1 (đỏ/xanh lá): đèn báo giao tiếp USB.
+ LD2 (đỏ): Đèn báo nguồn 3.3V.
+ LD3 (cam), LD4 (xanh lá), LD5 (đỏ), LD6 (xanh dương): 4 đèn dành
cho người sử dụng.
+ LD7 (xanh lá) và LD8 (đỏ): hai đèn báo USB OTG ( LD7: báo giao
tiếp, LD8: báo quá dòng).
-
2 nút nhấn: 1 nút nhấn Reset và một nút nhấn dành cho người dùng
(User Button).
-
Cổng kết nối:
+ 1 cổng USB OTG FS Micro-AB.
+ 1 cổng ST-LINK Mini-B USB.
+ 100 chân vào ra tần số cao.
-
Nguồn cấp:
+ Cấp nguồn qua cổng ST-LINK USB.
+ Cấp nguồn 5VDC bên ngồi.
Hình: Các ngoại vi của board STM32F411E-DISCO.
2.2.1.2
Vi điều khiển STM32F411VET6
Vi điều khiển STM32F411VET6 được phát triển dựa trên lõi vi xử lý RISC 32bit ARM Cortex-M4 32-bit, một vi xử lý hiệu suất cao có tần số hoạt động tối đa lên
đến 100MHz và được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng. Do có đặc điểm tiết
kiệm năng lượng, các bộ CPU ARM chiếm ưu thế lớn trong các sản phẩm điện tử di
động, những sản phẩm mà việc tiêu tán công suất thấp là một mục tiêu quan trọng.
Hiện nay, hơn 75% CPU nhúng 32-bit là thuộc họ ARM, điều này khiến ARM trở
thành cấu trúc 32-bit được sản xuất nhiều trên thế giới.
Hình: Vi điều khiển STM32F411VET6.
Thơng số của vi điều khiển STM32F411VET6:
-
Tiêu chuẩn đóng gói: LQFP100.
-
Nguồn cấp: 1.7-3.6 VDC.
-
Nhiệt độ hoạt động: - 40˚C đến 125 ˚C.
-
Bộ nhớ Flash: 512 Kbytes.
-
Bộ nhớ RAM: 128 Kbytes.
-
Tần số hoạt động tối đa: 100 MHz.
-
Nguồn cấp cho chân I/Os: 1.7 – 3.6 VDC.
-
Nguồn dao động:
+ Bộ dao động tinh thể ( Thạch anh ) 4 – 26 MHz.
+ Bộ dao động RC nội 16MHz.
+ Bộ dao động RTC (Real Time Clock) 32kHz.
-
1 ADC 12-bit, 2.4 MSPS 16 kênh.
-
Bộ DMA đa năng 16 luồng.
-
Timer: 11 timer.
+ 6 Timer 16-bit, 2 Timer 32-bit với tần số tối đa 100MHz, có các chức
năng IC/OC/PWM/Encoder Mode/…
+ 2 Watchdog Timer (độc lập hoặc giám sát).
+ 1 SysTick Timer.
-
Chân I/Os:
+ 81 chân vào ra với 5 port I/Os (A,B,C,D,E).
+ 75 chân vào ra tần số cao, lên đến 100MHz.
-
Truyền thông:
+ 3 cổng giao tiếp I2C (SMBus và PMBus).
+ 3 giổng giao tiếp UART ( 2 cổng có tốc độ 12.5Mbit/s và 1 cổng có tốc
độ 6.25Mbit/s) theo tiêu chuẩn ISO 7816.
+ 5 cổng giao tiếp SPI/I2S tốc độ cao (tốc độ lên đến 50Mbit/s).
+ 1 giao diện SDIO.
+ Kết nối nâng cao: Chuẩn USB 2.0 tốc độ cao.
-
Debug mode:
+ Serial wire debug (SWD) với giao diện JTAG.
+ Cortex®-M4 Embedded Trace Macrocell.
-
Ngắt (Interrupt):
+ Nhiều chức năng ngắt: ngắt ngoài, ngắt Timer, ngắt UART, ngắt I2C,
ngắt ADC,…
+ 68 vector ngắt.
+ 16 mức ưu tiên ngắt.
+ Đỗ trễ thấp, xử lý nhanh, có tích hợp DMA trong ngắt.
+ Có các thanh ghi điều khiển ngắt và quản lý năng lượng cho vector
ngắt.
2.2.2 Cảm biến nồng độ cồn.
2.2.2.1
Họ cảm biến MQ:
Cảm biến họ MQ loại cảm biến Metal Oxide Semiconductor (MOS), cịn được
gọi là Chemiresistors, bởi vì nó dựa trên “sự thay đổi điện trở” của vật liệu cảm biến
khi tiếp xúc với loại khí nhất định.
MQ là họ loại cảm biến “heater-driven”, tức nó phải tự làm nóng nó để hoạt
động. Do đó khi sử dụng, chúng ta cần có thời gian trễ để cảm biến làm nóng ( khoảng
1ph với Vcc=5 VDC và lớn hơn nếu Vcc<5 VDC).
Cấu trúc cảm biến MQ:
-
Được bao bọc trong lớp “lưới thép không gỉ”, được gọi là AntiExplosion Network, để đảm bảo bộ phận làm nóng bên trong cảm biến
không gây cháy nổ cũng như chặn các hạt bụi trong khơng khí.
Hình: Một số loại cảm biến MQ hiện nay.
-
Cảm biến MQ có tất cả 6 chân:
+ 2 chân H là Heater Coil làm bằng “hợp kim Ni-Cr” có chức năng làm
nóng bộ phận “Sensing Element”.
+ 2 chân A và 2 chân B chỉ là dây dẫn làm bằng “Platinum” được kết nối
vào “Sensing Element” có chức năng truyền tín hiệu Output, dựa vào
những thay đổi nhỏ trong dịng điện đi qua phần tử cảm biến.
Hình: Sơ đồ chân của cảm biến MQ.
-
Thành phần quan trọng nhất của cảm biến chính là “sensing element”.
Nó được cấu tạo từ một khối gốm Aluminum Oxide (AL2O3) và được
phủ một lớp Tin Dioxide (SnO2). Bên trong khối gốm là cuộn Heater
Coil, nó chỉ có chức năng giúp tăng hiệu quả gia nhiệt, đảm bảo cảm
biến được làm nóng liên tục ở nhiệt độ làm việc.
-
Tóm lại, ta có thể hiểu:
+
Cuộn “hợp kim Ni-Cr” và khối gốm (AL2O3) là hệ thống làm nóng
cảm biến.
+ Dây dẫn “Platinum” và lớp phủ (SnO2) tạo thành một hệ thống cảm
biến.
Nguyên lý hoạt động của họ cảm biến MQ:
-
Đầu tiên lớp (SnO2) cần được nung nóng ở nhiệt độ cao (bộ phận làm
nóng chịu trách nhiệm việc này, khi mới cấp nguồn thường cần đợi
khoảng ~20s).
-
Sau đó, nếu tiếp xúc với khơng khí thường, các phân tử trên bề mặt lớp
(SnO2) bị các phân tử Oxygen giữa lại → tạo 1 lớp rào cản có “điện trở
cao”, ngăn cản dịng điện chạy qua giữa 2 chân A và B.
-
Tuy nhiên khi có xuất hiện các loại khí khác, mật độ các phân tử Oxygen
sẽ giảm do phản ứng với chúng, các phân tử lớp (SnO2) không bị giữ lại
→ lớp rào cản có “điện trở thấp”, dịng điện chạy qua giữa 2 chân A và
B dễ hơn.
Sơ đồ kết nối cơ bản và cách sử dụng cảm biến MQ:
Hình: Sơ đồ kết nối cơ bản của các cảm biến MQ.
-
Với mỗi loại cảm biến MQ, chúng được sản xuất với tỉ lệ lớp phủ
(SnO2) khác nhau. Sao cho nồng độ khí cần đo có sự thay đổi tương ứng
theo tỉ lệ điện trở RS.
-
Từ tỉ lệ RS/RL (R2 là tên gọi thường dùng trong Schematic mạch thực
tế, còn trong datasheet thường được gọi là RL), ta có thể tính tốn được
nồng độ khí cần đo.
2.2.2.2
Cảm biến MQ3:
Cảm biến MQ3 là một cảm biến họ MQ, có tác dụng phát hiện đo nồng độ cồn
có trong khơng khí. Về cơ bản, cảm biến MQ3 có cấu tạo và nguyên lý làm việc giống
như các cảm biến khác trong họ MQ.
Hình: Cảm biến MQ3.
2.2.2.3
Cơng thức tính tốn nồng độ cồn từ cảm biến MQ3:
Để đọc được giá trị từ cảm biến MQ3, ta dựa vào tỉ lệ RS/R0 (ta gọi tỉ lệ này là
Ratio).
Cơng thức tính điện trở Rs: Rs
-
Trong đó :
R s: Điện trở giữa hai đầu A-B.
V cc : Điện áp cung cấp cho module.
V out : Điện áp đầu ra cảm biến.
R0: Điện trở giữa 2 đầu A-B tại khơng khí có nồng độ cồn là 0.4mg/L.
Giá trị điện trở R0 là giá trị cố định. Nếu không biết thơng số cụ thể của điện trở
R
R0, ta có thể tính gần đúng bằng cơng thức: R0 =70 s
-
Với Rs và 70 lần lượt là giá trị điện trở giữa hai đầu A-B và Ratio trong
khơng khí sạch.
Tỉ lệ Ratio sẽ tỉ lệ thuận với nồng độ cồn trong khơng khí.
Hình: Quan hệ giữa tỉ lệ RS/R0và nồng độ các chất trong khơng khí.
Có thể thấy, nồng độ cồn (alcohol) trong khơng khí sẽ tỉ lệ với Ratio theo hàm:
alcohol = a.Ratio
b
(1)
Ta sẽ tìm các hằng số a-b dựa vào hình và phương pháp bình phương bé nhất.
Từ hình , ta có bảng sau:
Ratio
2.3
1.7
1
0.54
0.4
1700
0.3
2600
0.2
4000
0.17
6000
0.14
8000
0.12
10000
Từ công thức (1), Logarit cơ số e
hai vế của phương trình, ta được:
ln(alcoh
ol) =
ln(a) + b.
ln(Ratio)
Đặt: Y = ln(alcohol) ; X =
ln(Ratio) ; A = ln(a) ; B = b.
Vậy phương trình (1) sẽ có dạng:
Y = A+ B.X.
A và B sẽ là nghiệm của hệ phương trình:
Vậy ta có bảng sau:
7
8
9
10
Tổng
Từ bảng trên, ta có hệ phương trình:
Giải hệ phương trình trên, ta được: A = 5.9898; B = -1.5302
5.9898
Từ đó suy ra: a = eA = e
= 399.3347 và b = B = -1.5302
Vậy: alcohol = 399.3347 *Ratio
2.2.2.4
{−8.8407 . A +17.7351
-1.5302
Module MQ3
Để dễ dàng sử dụng trong cách bài tốn, thì module MQ3 được ra đời. Module
MQ3 gồm bộ phận chính là cảm biến MQ3 và các chân vào-ra cùng với đèn LED cảnh
báo,… Module MQ3 hiện nay được sử dụng rất phổ biến vì tính bền và ổn định, độ
nhạy cao cũng như chính xác của module này.
Hình: Module MQ3.
Các thông số kỹ thuật của module MQ3:
-
Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 5 VDC.
-
Cảm biến chính: MQ3.
-
Nồng độ phát hiện: 0.04 ~ 10 mg/L.
-
Dòng định mức: 150mA.
-
Nhiệt độ hoạt động: -10 ~ 70 ˚C.
-
4 chân:
+ VCC: Chân đầu vào dương.
+ GND: Chân đầu vào âm.
+ DO: Đầu ra tín hiệu số (0 hoặc 5VDC).
+ AO: Đầu ra tín hiệu tương tự (0 ~ 5VDC).
-
2 đèn LED:
+ Một đèn bảo nguồn.
+ Một đèn cảnh báo, tương ứng với tín hiệu đầu ra DO, có thể điều chỉnh
nồng độ phát hiện bằng biến trở gắn trên module.
2.2.3Cảm biến định vị.
2.2.3.1
Định vị GPS:
GPS là hệ thống định vị toàn cầu do Mỹ phát triển và vận hành, là tên viết tắt
của cụm từ “Global Positioning System”. Nó là một hệ thống bao gồm nhiều vệ tinh
bay trên quỹ đạo phía trên trái đất ở độ cao 20.200 km. GPS hoạt động trong mọi điều
kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, liên tục suốt 24 giờ và hoàn toàn miễn phí đối với
một số dịch vụ.
Nguyên tắc hoạt động:
-
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 thơng tin xuống Trái Đất.
Các máy thu GPS nhận thơng tin này và bằng phép tính lượng giác tính
được chính xác vị trí của người dùng. 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 được 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 thơng 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.
Hình: Mơ phỏng cách thức hoạt động của hệ thống GPS.
-
Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều
kênh hoạt động song song của chúng. Các máy thu 12 kênh song song
(của Garmin) nhanh chóng khóa vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và
chúng duy trì kết nối bền vững, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành
phố với các toà nhà cao tầng. Trạng thái của khí quyển và các nguồn gây
sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS. Các
máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vịng 15 mét.
2.2.3.2
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.
Hình: Module GPS Neo-6M.
Module định vị GPS sử dụng board điều khiển kết nối của hãng U-BLOX đến
từ Thụy Sĩ có rất nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực sản xuất module định vị tồn
cầu.
Có thể sử dụng ứng dụng “U-Center” của hãng U-BLOX phát triển để đọc dữ
liệu từ Module GPS Neo-6M và thay đổi các thông số cài đặt của module.
Hình: Giao diện của ứng dụng U-Center.
Cấu tạo của Module GPS Neo-6M.
-
Gồm một module được tích hợp cảm biến Neo-6M cùng các ngoại vi cần
thiết và một angten rời (có module tích hợp angten ngay trên board).
-
Có 4 chân:
+ Chân VCC: Chân cấp nguồn.
+ Chân GND: Chân nối đất.
+ Chân RX: Chân nhận dữ liệu.
+ Chân TX: Chân truyền dữ liệu.
Thông số kĩ thuật:
-
Nguồn cung cấp: 3.3 – 5 VDC.
-
Điện áp giao tiếp: 3.3 VDC.
-
Serial Port: có thể điều chỉnh bằng ứng dụng “U-Center”, tuy nhiên có
các thơng số mặc định ban đầu như sau:
+ Tốc độ truyền: 9600.
+ Chế độ truyền 8 bit, khơng có parity bit, 1 stop bit.
+ Các chuỗi tin nhắn được truyền: GGA, GLL, GSA, GSV, RMC, VTG,
TXT.
+ Tần số truyền dữ liệu: 1Hz ( 1s gửi các chuỗi dữ liệu 1 lần).
2.2.3.3
Giao tiếp với Module GPS Neo-6M.
Để có thể đọc được dữ liệu từ Module GPS Neo-6M gửi về, ta chỉ cần cấp
nguồn và kết nối UART với module này. Các dữ liệu này được cách nhau bằng dấu
xuống dòng, được hiểu là các tin nhắn (message). Với UART0, module này trả về các
“message” gồm các chuỗi GGA, GLL, GSA, GSV, RMC, VTG và TXT. Mỗi chuỗi sẽ
chứa một số thông tin khác nhau và các thông tin này cách nhau bởi dấu “,”. Để có thể
xác định được vị trí cũng như thời gian thông qua module GPS Neo-6M, ta chú ý đến
2 chuỗi GGA và RMC.
-
Chuỗi RMC: Chuỗi thông tin đơn giản nhất được đề xuất.
+ Cấu trúc của chuỗi RMC:
$GPRMC,hhmmss.ss,A,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,x.x,x.x,ddmmyy,x.x,a
*hh
Trong đó có các thơng tin quan trọng:
$GPRMC:
Báo hiệu chuỗi RMC.
hhmmss.ss: Thời gian giờ/phút/giây tính theo UTC.
A:
Trạng thái của chuỗi (A: chuỗi hợp
llll.ll:
Vĩ độ người sử dụng.
a:
Hướng Bắc-Nam (N: North, S: South).
yyyyy.yy:
Kinh độ của người sử dụng.
a:
Hướng Đông-Tây (E: East, W: West).
ddmmyy:
Ngày/tháng/năm tính theo UTC.
lệ, V: chuỗi
thiếu).
+ Ví dụ:
$GPRMC,225446,A,4916.45,N,12311.12,W,000.5,054.7,191121,
020.3,E*68
Ta sẽ có các thơng tin sau:
225446:
Thời gian 22:54:46 UTC.
A:
-
Chuỗi hợp lệ.
Chuỗi GGA: Chuỗi vị trí đầy đủ.
Bảng: Các thông số quan trọng của chuỗi GGA.
Bằng cách đọc chuỗi truyền từ UART và xử lý dữ liệu thu về, bộ điều khiển sẽ
thu được tất cả những thông tin quan trọng như vị trí, độ cao,… để có thể theo dõi.
2.2.4 Mạch thu phát Wifi.
2.2.4.1
Khái niệm về Wifi.
Wifi là viết tắt của Wireless Fidelity là hệ thống truy cập internet khơng dây.
Loại sóng vơ tuyến này tương tự như sóng điện thoại, truyền hình và radio. Nó còn
được gọi là 802.11, là tiêu chuẩn IEEE của mạng cục bộ không dây (WLAN). Mạng
WiFi hoạt động ở dải tần số 2.4GHz và 5GHz khơng li-xăng (unlicensed), có nghĩa là
mạng này khơng gây nhiễu cho những mạng không dây lân cận khác hoạt động trên
cùng các tần số (hoặc băng thơng) đó. Wifi là công cụ kết nối không thể thiếu trên điện
thoại, laptop, máy tính bảng cũng như các thiết bị IoT.
Cách thức hoạt động của Wifi:
-
Mạng WiFi hiện đại hoạt động giống như kết nối mạng cục bộ Ethernet
có dây (LAN). Sự khác biệt duy nhất là chúng sử dụng các tần số phổ
không li-xăng để truyền dữ liệu trong khoảng cách ngắn với tốc độ cao,
giống như băng thông rộng di động đối với điện thoại cầm tay.
-
Tiêu chuẩn WiFi được phát triển bởi Hội Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE)
để cung cấp khả năng truy cập không dây trong khu vực cục bộ, thường
là trong nhà hoặc tòa nhà văn phịng.
-
Để WiFi hoạt động, phải có một điểm truy cập (trạm gốc) có kết nối có
dây để kết nối các thiết bị WiFi. Các thiết bị WiFi giao tiếp với điểm truy
cập bằng tín hiệu tần số vơ tuyến (RF), giống như điện thoại khơng dây.
Hình: Hệ thống Wifi.
Một số chuẩn kết nối Wifi phổ biến:
-
Về bản chất kỹ thuật, tín hiệu WiFi hoạt động gửi và nhận dữ liệu ở tần
số 2.5GHz đến 5GHz, cao hơn khá nhiều so với tần số của điện thoại di
động, radio... do vậy tín hiệu WiFi có thể chứa nhiều dữ liệu nhưng lại bị
hạn chế ở phạm vi truyền - khoảng cách.
-
Sóng Wifi sử dụng chuẩn kết nối 802.11 trong thư viện IEEE (Institute
of Electrical and Electronics Engineers), chuẩn này bao gồm 4 chuẩn
nhỏ hơn a/b/g/n (thường thấy các ký hiệu này trên các moderm, router):
+ Chuẩn 802.11b là phiên bản yếu nhất, hoạt động ở mức 2.4GHz và có
thể xử lý đến 11Mb/s.
+ Chuẩn 802.11g nhỉnh hơn đơi chút so với chuẩn b, tuy nó cũng hoạt
động ở tần số 2.4GHz nhưng có thể xử lý 54Mb/s.
+ Chuẩn 802.11a phát ở tần số cao hơn là 5GHz với tốc độ xử lý đạt
54Mb/s.
+ Cuối cùng là chuẩn 802.11n, hoạt động ở tần số 2.4GHz nhưng tốc độ
xử lý lên đến 300Mb/s.
2.2.4.2
Chip ESP8266.
ESP8266 là dịng chip tích hợp Wi-Fi 2.4Ghz có thể lập trình được, giá rẻ được
sản xuất bởi một công ty bán dẫn Trung Quốc: Espressif Systems.
Được phát hành đầu tiên vào tháng 8 năm 2014, đóng gói đưa ra thị trường
dạng Mơ dun ESP-01, được sản xuất bởi bên thứ 3: AI-Thinker. Có khả năng kết nối
Internet qua mạng Wi-Fi một cách nhanh chóng và sử dụng rất ít linh kiện đi kèm. Với
giá cả có thể nói là rất rẻ so với tính năng và khả năng ESP8266 có thể làm được.
Sơ đồ chân:
Hình: Sơ đồ chân chip ESP8266 và lưu ý khi sử dụng.
Thông số kỹ thuật:
-
32-bit RISC CPU: Tensilica Xtensa LX106 chạy ở xung nhịp 80 MHz.
-
Hỗ trợ Flash ngoài từ 512 KB đến 4MB.
-
64 Kbytes RAM thực thi lệnh.
-
96 Kbytes RAM dữ liệu.
-
64 Kbytes boot ROM.
-
Chuẩn Wifi IEEE 802.11 b/g/n, Wifi 2.4GHz.
-
Tích hợp TR switch, balun, LNA, khuếch đại cơng suất và matching
network.
-
Hỗ trợ WEP, WPA/WPA2, Open Network.
-
Tích hợp giao thức TCP/IP.
-
Hỗ trợ nhiều loại angten.
-
16 chân GPIO.
-
Hỗ trợ SDIO 2.0, UART, SPI, I2C, PWM, I2S với DMA.
-
1 ADC 10-bit.
-
Dải nhiệt độ hoạt động: - 40˚C ~ 125 ˚C.
2.2.4.3
Board ESP8266 NodeMCU V1.0
Board ESP8266 NodeMCU V1.0 được phát triển dựa trên module wifi ESP-12F
dễ dàng kết nối WiFi với một vài thao tác đơn gian. Board được tích hợp IC giao tiêp
CP2102, giúp dễ dàng kêt nôi với máy tính thơng qua Micro USB để nap chương trinh
va debug.Trên mach có sẵn nút nhấn, đen Led để tiện cho viêc lâp trinh va theo doi
board mach.
Board có cả 3 chế độ hoạt động gồm: Client, Access Point, Both Client and
Access Point. Với kích thước nhỏ gọn, linh hoạt board dễ dàng liên kết với các thiết bị
ngoại vi để tạo thành project, sản phẩm mẫu một cách nhanh chóng.
Hình: Board ESP8266.
Sơ đồ chân:
Hình: Sơ đồ chân của board ESP NodeMCU V1.0
Thông số kỹ thuật:
-
Chip: ESP8266EX SoC Wifi.
-
Băng tần Wifi: 2.4GHz chuẩn 802.11 b/g/n.
-
Phiên bản firmware: NodeMCU V1.0
-
Điện áp hoạt động: 3.3 VDC.
-
Điện áp vào: 5 VDC.
-
Dòng tiêu thụ: Tối đa 320mA.
-
Số chân I/Os: 11 chân (tất cả các chân I/Os đều có Interrupt/ PWM/ I2C/
One-wire, trừ chân D0).
-
Số chân analog input: 1 (điện áp vào tối đa 3.3 VDC).
-
Bộ nhớ Flash: 4MB.
-
Chip giao tiếp UART: CP2102.
-
Hỗ trợ cổng Micro USB.
-
Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2.
-
Tích hợp giao thức TCP/IP.
