Ứng dụng iot để thu thập dữ liệu trên xe toyota camry 5s FE

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮTRS232 Chuẩn giao tiếp RS232 để nối ghép các thiết bị ngoại vi với máy tínhSerial Công cụ giao tiếp giữa thiết bị và máy tính IP Internet Protocol ngh

ý kiến quý báu để đồ án được hoàn thiện hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Cơ Khí Động Lực đã hỗ trợ kiến thức và tạo điều kiện để nhóm thực hiện đồ án để chúng em khắc phục được những khó khăn

Xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

đã cung cấp cho chúng em các kiến thức nền tảng và kiến thức chuyên ngành để nhóm có đủnăng lực, đủ kiến thức để thực hiện đồ án thành công

Xin gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ, chia sẻ hiểu biết

và kiến thức để nhóm thực hiện đồ án được hoành thiện hơn

Xin chúc các thầy cô luôn luôn dồi dào sức khỏe, tràn đầy năng lượng, có thật nhiều là nhiều niềm vui, hạnh phúc trong cuộc sống Nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn

Nhóm thực hiện đồ án

- Bùi Văn Chung

- Nguyễn Minh Tiến

TÓM TẮT

1 Vấn đề nghiên cứu

- Lý thuyết và ứng dụng IoT

- Giao tiếp mạng riêng ảo VPN

- Sơ đồ mạch điện của xe Toyota Camry 5S-FE

- Hệ thống điều khiển động cơ

- Nắm rõ nguyên lý hoạt động cảm biến và cách đọc hiểu sơ đồ mạch điện động cơ

- Lập trình thu thập tín hiệu từ Arduino, thiết kế mạch điện để giảm dòng điện

- Lập trình LabVIEW nhận dữ liệu từ Arduino truyền lên, tính toán và phân tích sau đó hiển thị

- Dùng hai thiết bị Router hỗ trợ giao tiếp với Internet thông qua mạng riêng ảo VPN

- Tham khảo tài liệu có sẵn trên Internet, ý kiến bạn bè, sinh viên khóa trước và đặc biệt là thầy hướng dẫn Lê Khánh Tân

4 Một số kết quả đạt được

- Thiết kế được thiết bị thu thập tín hiệu cảm biến trên động cơ

- Dữ liệu được truyền từ chương trình Arduino đến LabVIEW xử lý và gửi lên Internet

Do đó dữ liệu được xem ở bất cứ nơi nào có kết nối mạng Internet

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Giới hạn đề tài 1

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài 2

1.4 Phương pháp thực hiện 2

1.5 Kế hoạch nghiên cứu 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Lý thuyết cảm biến 4

2.1.1 Cảm biến vị trí bướm ga (Throttle position sensor) 4

2.1.2 Cảm biến nhiệt độ 5

2.1.3 Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp 10

2.1.4 Cảm biến mức nhiên liệu 12

2.2 Điều khiển động cơ 13

2.2.1 Điều khiển đánh lửa 13

2.2.2 Điều khiển phun nhiên liệu 18

2.3 Công nghệ IoT 21

2.4.1 Internet of Things là gì? 21

2.4.2 Khả năng định danh độc nhất 21

2.4.3 Xu hướng và tính chất của Internet of Things 22

2.4.5 Các hệ thống phụ trong IoT 23

2.4.6 Ứng dụng của IoT 23

2.4.7 IoT trong công nghệ nhà thông minh 27

2.4.8 Ứng dụng IoT cho camera giám sát 29

2.4.9 Kết luận 30

2.4 Ứng dụng IoT trong thu phát tín hiệu trên xe 31

2.3.1 Giải pháp hỗ trợ sử dụng đường hầm VPN, NAT PORT 31

2.3.2 Thu thập và truyền dữ liệu tín hiệu trên xe Toyota Camry 5S - FE 1997 33

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH THIẾT BỊ THU THẬP VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU 37

3.1 Thiết kế phần cứng 37

3.2 Thiết kế phần mềm 38

3.2.1 Chương trình Arduino 38

3.2.2 Chương trình trên LabVIEW 40

3.3 Cài đặt Router và NAT PORT 44

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 50

4.1 Quy trình thực nghiệm 50

4.2 Kết quả thức nghiệm thu được khi nổ máy xe 50

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 55

5.1 Kết quả đạt được 55

5.2 Kết luận 55

5.3 Hướng phát triển của đề tài 55

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC A: GIỚI THIỆU VỀ ARDUINO 58

1 Arduino là gì? 58

2 Tại sao chọn Arduino? 59

3 Tổng quan về Arduino Uno R3 59

3.1 Phần cứng của Arduino Uno R3 59

3.2 Phần mềm Arduino IDE 62

4 Lập trình trên Arduino IDE 64

4.1 Ngôn ngữ lập trình trên Arduino 64

4.2 Chương trình code 67

4.3 Giải thích chương trình code 71

PHỤ LỤC B: GIỚI THIỆU LabVIEW 76

1 LabVIEW là gì ? 76

2 Các ứng dụng của LabVIEW 77

3 Những khái niệm cơ bản của LabVIEW 77

3.1 VI -Thiết bị ảo 77

3.2 Front Panel và Block Diagram 77

3.3 Các kỹ thuật lập trình trên LabVIEW 79

4 Functions Palette (Bảng các hàm chức năng) 83

4.1 Programming (Các khối hàm cơ bản) 83

4.2 Instrument I/O (Công cụ giao tiếp) 88

4.3 Data communication (Giao tiếp dữ liệu) 91

5 Chương trình thu thập xử lý tín hiệu các cảm biến và đồ thị mô phỏng 93

5.1 Chương trình SERVER 93

5.2 Chương trình CLIENT 97

PHỤ LỤC C: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ IoT 99

1 Mạng không dây 99

1.1 NFC 99

1.2 Bluetooth 99

1.3 RF 99

1.4 Wireless 99

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

RS232 Chuẩn giao tiếp RS232 để nối ghép các thiết bị

ngoại vi với máy tínhSerial Công cụ giao tiếp giữa thiết bị và máy tính

IP Internet Protocol (nghi thức giao tiếp)

TCP/IP Một giao thức để truyền và nhận dữ liệu đáng

tin cậy qua mạng (Internet Protocol Suite)LabVIEW Phần mềm máy tính (Laboratory Virtual

Instrument Engineering Workbench)

MAP Cảm biến áp suất tuyệt đối áp trên đường ống

nạp (Manifold Absolute Pressure)PIM Tín hiệu áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp kPa

IGT Tín hiệu điều khiển đánh lửa

Arduino IDE Phần mềm lập trình cho Arduino

IC Atmega328 Vi xử lý trên Arduino

ECU Hộp điều khiển (Electronic Control Unit)

USB Chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính

(Universal Serial Bus)IoT Internet of Things (vạn vật kết nối)

IP LAN Local Area Network

NAT Network Address Translation

P2P Peer to Peer hoặc Point to Point

ADSL Cung cấp phương thức truyền dữ liệu với băng

thông rộng, tốc độ cao

DANH MỤC CÁC HÌ

Hình 2.1: Cấu tạo và mạch điện cảm biến 4

Hình 2.2: Cảm biến vị trí bướm ga 5

Hình 2.3: Đường đặc tuyến cảm biến vị trí bướm ga 5

Hình 2.4: Cảm biến nhiệt độ động cơ 6

Hình 2.5: Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát 7

Hình 2.6: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ 8

Hình 2.7: Cảm biến nhiệt độ 8

Hình 2.8: Mạch điện cảm biến khí nạp 9

Hình 2.9: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ không khí nạp 9

Hình 2.10: Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp (MAP) 10

Hình 2.11: Cấu tạo và sơ sồ mạch điện cảm biến MAP 10

Hình 2.12: Mạch điện cầu Wheatston bên trong cảm biến MAP 11

Hình 2.13: Đồ thị đường đặc tính cảm biến MAP 12

Hình 2.14: Mạch điện cảm biến mức nhiên liệu 12

Hình 2.15: Đồ thị đường đặc tính cảm biến mức nhiên liệu 13

Hình 2.16: Sơ đồ khối điều khiển đánh lửa của ECU 14

Hình 2.17: Đồ thị đường đặc tính góc đánh lửa sớm 15

Hình 2.18: Sơ đồ điều khiển góc đánh lửa sớm của hệ thống đánh lửa trực tiếp xe Toyota 17 Hình 2.19: Bản đồ góc ngậm điện 17

Hình 2.20: ECU điều khiển phun nhiên liệu 20

Hình 2.21: Sơ đồ kết nối của IoT 21

Hình 2.22: Tác động của ứng dụng IoT đối với cuộc sống 23

Hình 2.23: Ứng dụng IoT trong thành phố thông minh (Smart cities) 25

Hình 2.24: Ứng dụng IoT trong Y tế 25

Hình 2.25: Ứng dụng IoT trong giáo dục 26

Hình 2.26: Hệ thống nhà thông minh 29

Hình 2 27: Mô hình mạng riêng ảo VPN 31

Hình 2.28: Quy trình thực hiện thu thập và truyền dữ liệu 34

Hình 3.1: Hình vẽ mô phỏng mạch điện thu thập dữ liệu 38

Hình 3.2: Thiết kế bộ thu thập dữ liệu 38

Hình 3.3: Cáp kết nối Arduino và máy tính 39

Hình 3.4: Giao tiếp giữa máy tính và Arduino 39

Hình 3.5: Sơ đồ khối đọc tín hiệu từ các chân tín hiệu 39

Hình 3.6: Sơ đồ khối đọc tín hiệu xung IGT 40

Hình 3.7: Sơ đồ khối Gửi tín hiệu đọc được từ Arduino lên máy tính 40

Hình 3.8: Sơ đồ khối giao tiếp giữa Arduino và LabVIEW 41

Hình 3.9: Mô hình khối giao tiếp VISA của LabVIEW 42

Hình 3.10: Mô hình khối tách tín hiệu trong LabVIEW 42

Hình 3.11: Sơ đồ khối thiết lập chương trình SERVER 43

Hình 3.12: Mô hình khối chương trình SERVER trong LabVIEW 43

Hình 3.13: Sơ đồ khối thiết lập chương trình CLIENT 43

Hình 3.14: Mô hình khối chương trình SERVER trong LabVIEW 44

Hình 4.1: Giao diện chương trình SERVER lúc không tải (VTA 0 %) 51

Hình 4.2: Giao diện chương trình CLIENT lúc không tải (VTA 0 %) 51

Hình 4.3: Bảng đồ thị kết quả chương trình SERVER lúc không tải (VTA 0 %) 52

Hình 4.4: Bảng đồ thị kết quả chương trình CLIENT lúc không tải (VTA 0 %) 52

Hình 4.5: Giao diện chương trình SERVER lúc có tải (VTA 31 %) 53

Hình 4.6: Giao diện chương trình CLIENT lúc không tải (VTA 31%) 53

Hình 4.7: Bảng đồ thị kết quả chương trình SERVER lúc không tải (VTA 31 %) 54

Hình 4.8: Bảng đồ thị kết quả chương trình CLIENT lúc không tải (VTA 31 %) 54

DANH MỤC CÁC BẢ Bảng 2.1: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ nước làm mát 7 Bảng 2.2: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ không khí nạp 9 Bảng 2.3: So sánh với ứng dụng IoT trên nhà thông minh: 34

Y

Bảng A.1: Cấu trúc, giá trị và hàm thủ tục 64

Bảng A 2: Ý nghĩa các kiểu biến dữ liệu 72

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài

Với sự phát triển của công nghệ ô tô với tốc độ chóng mặt, cùng với xu hướng hội nhập hiện nay thì nên công nghiệp ô tô Việt Nam đang trên con đường phát triển mạnh mẽ

Các nước phát triển đang chạy đua với cuộc cạch mạng công nghiệp 4.0 và công nghệ thông tin là một phần không thể thiếu, đặc biệt là kết nối những chiếc xe hơi với nhau, kết nối đó gọi là Internet of Things Các xe hơi được kết nối Internet, truyền và nhận thông tin một cách tự động, vì vậy xe hơi sẽ ngày càng thông minh và có thể xử lý tình huống trước sựcan thiệp của con người, hơn nữa các xe hơi còn có thể giao tiếp với nhau, giao tiếp với mọi

sự vật xung quanh Để làm được điều đó thì việc thu thập dữ liệu từ xe là rất quan trọng, sau

đó xe sẽ tự chuẩn đoán và phân tích để giúp chiếc xe được an toàn và ổn định hơn Hơn nữa, thông qua Internet xe sẽ gửi thông tin, tình trạng kỹ thuật cũng như nhận thông tin từ nhà sảnxuất

Với cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 sắp tới, việc ứng dụng IoT là một bước phát triển vượt bậc Bên cạnh đó việc thu thập dữ liệu trên xe là rất quan trọng Do đó nhóm chúng em

đã chọn nghiên cứu đề tài “ Ứng dụng IoT để thu thập dữ liệu trên xe Toyota Camry 5S-FE”

Em hy vọng rằng đề tài này sẽ là đòn bẩy để giúp nhóm chúng em nghiên cứu sâu về công nghệ thông tin, đặc biệt là ứng dụng IoT trên các xe hơi hiện đại và thông minh hiện nay

- Sử dụng phần mềm LabVIEW trên máy SERVER để hiển thị tín hiệu từ máy tính do

Arduino truyền đến và dùng dữ liệu của tín hiệu này truyền đi qua máy tính khác bằng giao thức TCP/IP qua mạng Internet

- Sử dụng hai Router Vigor2925 có hỗ trợ mở PORT qua đường hầm VPN để truyền dữ

liệu

- Máy CLIENT nhận tín hiệu từ máy SERVER truyền đến xử lý và hiện thị chúng.

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài

- Lập trình chương trình thu thập tín hiệu được yêu cầu trên xe bằng Arduino.

- Thiết kế phần cứng để đảm bảo an toàn việc kết nối board Arduino và các tín hiệu từ cảm

biến và xung cần thu thập, sau đó truyền lên máy tính

- Tìm hiểu các ứng dụng của IoT sau đó ứng dụng vào đề tài.

- Thiết kế giao diện phần mềm LabVIEW trên máy tính SERVER và CLIENT để hiển thị

và truyền tín hiệu đi bằng giao thức TCP/IP qua mạng Internet

1.4 Phương pháp thực hiện

- Bắt đầu nghiên cứu từ những ứng dụng cơ bản nhất của hai phần mềm Arduino và

LabVIEW rồi sau đó dần đi vào mục đích nghiên cứu chính của đề tài là thu thập tín hiệutrên xe

- Tham khảo nhiều nguồn tài liệu từ trên mạng và sách giáo trình liên quan đến đề tài về các phần mềm, giao tiếp của IoT Đặt biệt được sự hướng dẫn chu đáo từ thầy hướng dẫn

và việc trao đổi kiến thức cùng các nhóm khác và các anh khóa trước Từ đó nhóm đã có

đủ cơ sở kiến thức để thực hiện đề tài này

1.5 Kế hoạch nghiên cứu

Với sự định hướng của giáo viên hướng dẫn, nhóm đã thực hiện đề tài theo các giai đoạn sau:

Giai đoạn 1: Nghiên cứu các tài liệu phần mềm liên quan đến đề tài

- Lập trình về Arduino làm các ứng dụng cơ bản có liên quan đến đề tài.

- Lập trình về LabVIEW thực hiện hiển thị kết quả đơn giản.

- Nắm cơ bản các hệ thống liên quan trên mạch điện xe Toyota Camry 5S-FE 1997.

- Ôn lại kiến thức về hệ thống điều khiển động cơ và các cảm biến.

Giai đoạn 2: Thiết kế phần cứng, phần mềm cho đề tài nghiên cứu và nghiên cứu IoT

- Thiết kế phần cứng là bộ thu tín hiệu và board Arduino.

- Thiết kế phần mềm là hoàn thành chương trình trên phần mềm Arduino để thu thập dữ

liệu ổn định và hiển thị kết quả thu được trên LabVIEW của hai máy tính

- Tìm hiểu về công nghệ IoT để sử dụng trong việc truyền tải dữ liệu.

Giai đoạn 3: Tiến hành thu thập tín hiệu và viết thuyết minh

- Nổ máy xe và thực hiện thu thập và truyền dữ liệu.

- Làm video về quá trình thực hiện kết quả đề tài thực nghiệm.

- Viết thuyết minh bằng Word.

- Viết báo cáo bằng Powerpoint để thuyết trình.

- Hoàn tất đề tài.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết cảm biến

2.1.1 Cảm biến vị trí bướm ga (Throttle position sensor)

Góc mở bướm ga thành tín hiệu điện áp gửi đến ECU Đa số cảm biến bướm ga là loại tuyến tính (dạng biến trở) 3 dây Tuy nhiên trên một số xe có 4 dây do bố trí thêm công tắc

vị trí không tải (idle) Cảm biến bướm ga có các chức năng sau:

- Điều chỉnh tỉ lệ hỗn hợp theo tải của động cơ: Ở tốc độ cầm chừng đòi hỏi hỗn hợp hơi giàu, khi tải lớn phải làm giàu hỗn hợp để công suất động cơ phát ra tối đa và khi động

cơ hoạt động ở tải trung bình phải đảm bảo động cơ chạy tiết kiệm

- Cắt nhiên liệu khi giảm tốc: Khi giảm tốc ECU sẽ căn cứ vào cảm biến số vòng quay động cơ và cảm biến vị trí bướm ga để cắt nhiên liệu, nhằm tiết kiệm nhiên liệu và giảm

ô nhiễm môi trường

- Làm giàu hỗn hợp khi tăng tốc: Khi ấn ga đột ngột từ vị trí cầm chừng, ECU sẽ tăng lượng nhiên liệu cung cấp để làm giàu hỗn hợp giúp cho động cơ tăng tốc nhanh chóng

Mạch điện và cảm biến vị trí bướm ga

Hình 2.1: Cấu tạo và mạch điện cảm biến

Cảm biến xác định vị trí mở của cánh bướm ga một cách liên tục theo quy luật một đường thẳng, giúp cho việc nhận biết góc mở của bướm ga được chính xác hơn

Cảm biến bao gồm một điện trở, nguồn điện áp 5V từ ECU cung cấp vào hai đầu của điện trở, con trượt di chuyển trên điện trở theo góc mở của cánh bướm ga Tín hiệu điện áp VTA từ con trượt gởi về ECU để xác định độ mở của cánh bướm ga.

Ảnh cảm biến rời và trên xe.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ này là dựa vào sự thay đổi giá trị điện trở, dựa trên sự thay đổi nhiệt độ nên dẫn đến sự thay đổi điện áp ở cầu phân áp Chi tiết quan trọng đó là điện trở nhiệt là một phần tử cảm nhận sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ Nó được làm bằng vật liệu bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở âm (NCT – Negative

Temperature Coefficient) Khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm và ngược lại Các loại cảm biến nhiệt độ hoạt động cùng nguyên lý nhưng mức hoạt động và sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có khác nhau Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp được gửi đến ECU trên nền tảng cầu phân áp

 Cảm biến nhiệt độ động cơ (nhiệt độ nước làm mát):

Hình 2.4: Cảm biến nhiệt độ động cơ

Cảm biếm này rất quan trọng vì tín hiệu của nó được ECU dùng để điều khiển lượng xăng phun, góc đánh lửa sớm, tốc độ không tải, và cả quạt làm mát két nước

Điện áp 5V qua điện trở chuẩn (điện trở này có giá trị không đổi theo nhiệt độ) tới cảm biến rồi trở ECU về mass (-) Như vậy điện trở chuẩn và nhiệt điện trở trong cảm biến tạo thành một cầu phân áp Điện áp giữa cầu được đưa đến bộ chuyển đổi tương tự - số (bộ chuyển đổi ADC – analog to digital converter)

Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến bộ biến đổi ADC lớn Tín hiệu điện áp được chuyển đổi thành một dãy xung vuông và được giải mã nhờ

bộ vi xử lý để thông báo cho ECU biết động cơ đang lạnh Khi động cơ nóng, giá trị điện trởcảm biến giảm kéo theo điện áp đặt giảm, báo cho ECU biết là động cơ đang nóng

ECU dùng nhiệt độ chuẩn là C Khi nhiệt độ nước làm mát bé hơn C, ECU sẽ điều khiển tăng lượng phun.

Khi nhiệt độ nước làm mát thay đổi, điện áp tại cực THW thay đổi theo và ECU dùng tínhiệu này để hiệu chỉnh lượng phun nhiên liệu

Mạch điện

Hình 2.5: Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Lượng nhiên liệu phun thay đổi theo nhiệt độ nước làm mát là rất lớn Khi cảm biến bị

hở mạch thì điện áp tại cực THW sẽ rất cao, lượng nhiên liệu phun sẽ tăng mạnh làm động

cơ bị ngộp xăng không thể hoạt động được Khi cảm biến bị ngắn mạch, điện áp tại cực THW là bé nhất làm cho động cơ hoạt động không ổn định, nhất là khi nhiệt độ động cơ dưới C

Bảng 2.1: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ nước làm mát

Hình 2.6: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ

 Cảm biến nhiệt độ không khí nạp, THA hoặc TA, MAT:

Hình 2.7: Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến dùng để xác định nhiệt độ không khí nạp vào động cơ Mật độ của không khí thay đổi theo nhiệt độ, điều này có nghĩa là khối lượng không khí nạp vào động cơ phụ thuộcvào nhiệt độ của lượng không khí nạp

Cảm biến được bố trí ở phía trước họng bướm ga, trong bộ đo gió hoặc trên đường ống nạp Phần chính cảm biến là một điện trở có trị số nhiệt điện trở âm ECU xem nhiệt độ C là mức chuẩn, ECU sẽ điều khiển giảm lượng nhiên liệu phun khi nhiệt độ không khí nạp tăng

cao và sẽ gia tăng lượng nhiên liệu khi nhiệt độ không khí bé hơn C Với phương pháp này,

tỉ lệ hỗn hợp sẽ được đảm bảo theo nhiệt độ môi trường

Mạch điện

Hình 2.8: Mạch điện cảm biến khí nạp

Tương tự như cảm biến nhiệt độ động cơ, cảm biến nhiệt độ không khí cũng lấy tín hiệu

từ cầu phân áp giữ điện trở chuẩn trong ECU và nhiệt điện trở trên cảm biến

Bảng 2.2: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ không khí nạp

Hình 2.9: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ không khí nạp

2.1.3 Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp

Cảm biến áp suất đường ống nạp được dùng cho hệ thống EFI kiểu D để cảm nhận áp suất đường ống nạp Đây là một trong những cảm biến quan trong nhất trong EFI kiểu D và cảm biến này được đặt sau họng bướm ga

Trên hệ thống phun xăng loại D – Jetronic lượng khí nạp đi vào xylanh được xác định gián tiếp (phải tính lại) thông qua cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp

Vị trí

Hình 2.10: Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp (MAP)

Cấu tạo và sơ đồ mạch điện

Hình 2.11: Cấu tạo và sơ sồ mạch điện cảm biến MAP

Bằng cách gắn một IC vào cảm biến này với nguyên lý chính là sử dụng mạch cầu Wheatstone nhằm tạo ra một điện thế phù hợp khi giá trị điện trở thay đổi Phần chính của

IC này là một tấm silicon nhỏ (hay gọi là màng ngăn) dày hơn ở mép ngoài (khoảng 25mm)

và mỏng ở giữa (khoảng 0,025mm) Hai mép được làm kín cùng với mặt trong của tấm silicon tạo thành buồng chân không trong cảm biến Mặt ngoài của tấm silicon tiếp xúc áp suất đường ống nạp Hai mặt của tấm silicon được phủ thạch anh để tạo thành điện trở áp điện (Piezoresistor).

Hình 2.12: Mạch điện cầu Wheatston bên trong cảm biến MAP

Khi động cơ chưa hoạt động, màng silicon không bị biến dạng nên 4 điện trở của cầu có giá trị bằng nhau và lúc đó không có sự chênh lệch điện áp giữa hai cầu Khi tải thay đổi, không khí được nạp vào nhiều hơn do đó áp suất trên đường ống nạp thay đổi Sự thay đổi

áp suất này làm màng silicon dao động dẫn đến giá trị điện trở của các điện trở trên cầu Wheatston thay đổi Kết quả là giữa hai cầu sẽ có sự chênh lệnh điện áp và tín hiệu được khuếch đại thông qua con op_amp để điều khiển Transistor ở ngõ ra của cảm biến có cực C treo Độ mở của Transistor phụ thuộc vào áp suất đường ống nạp dẫn đến sự thay đổi điện ápbáo về ECU, tín hiệu đó gọi là tín hiệu PIM (Pressure Intake Manifold) Sau đó ECU động

cơ xác định được thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản trên cơ sở của tín hiệu PIM này

Như trình bày ở hình minh họa, một chíp silic kết hợp với một buồng chân không, được duy trì ở độ chân không định trước, được gắn vào bộ cảm biến này Một phía của chíp này được lộ ra với áp suất của đường ống nạp và phía bên kia thông với buồng chân không bên trong Vì vậy, không cần phải hiệu chỉnh mức bù cho độ cao lớn vì áp suất của đường ống nạp có thể đo được chính xác ngay cả khi độ cao này thay đổi

Một trong những bộ phận quan trọng của cảm biến là phao báo mức nhiên liệu, thông qua sự thay đổi mức nhiên liệu trong thùng, phao sẽ dịch chuyển làm thay đổi giá trị điện trởtrong cảm biến, giá trị này làm thay đổi giá trị điện áp và gửi về ECU điều khiển.

Hình 2.14: Mạch điện cảm biến mức nhiên liệu

Hình 2.15: Đồ thị đường đặc tính cảm biến mức nhiên liệu 2.2 Điều khiển động cơ

2.2.1 Điều khiển đánh lửa

Thời điểm đánh lửa sớm tối ưu bị ảnh hưởng bởi một số các yếu tố khác bên cạnh tốc độ

và độ chân không như: hình dạng của buồng cháy, nhiệt độ bên trong của buồng cháy Vì lý

do này, bộ đánh lửa sớm chân không và ly tâm không thể tạo ra thời điểm đánh lửa lý tưởng cho động cơ Nhưng hệ thống đánh lửa sớm điện tử (Electronic Spark Advance - ESA) sẽ giúp động cơ gần đạt được đặc tính thời điểm đánh lửa lý tưởng và hệ thống đánh lửa này được TOYOTA ứng dụng trên chiếc Camry 1997 5S - FE

So với các hệ thống đánh lửa trước đó, hệ thống đánh lửa với cơ cấu đánh lửa sớm bằng điện tử có những ưu điểm sau:

- Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh tối ưu cho từng chế độ hoạt động của động cơ

- Góc ngậm điện luôn luôn được điều chỉnh theo tốc độ động cơ và hiệu điện thế Accu, đảm bảo hiệu điện thế thứ cấp có giá trị cao ở mọi thời điểm

- Động cơ khởi động dễ dàng, cầm chừng êm dịu, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm khíthải

- Công suất và đặc tính động học của động cơ được cải thiện rõ rệt

- Có khả năng điều khiển chống kích nổ cho động cơ

- Ít bị hư hỏng, có tuổi thọ cao và không cần bảo dưỡng

Với những ưu điểm nổi bật như vậy, ngày nay hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử kết hợp với hệ thống phun xăng đã thay thế hoàn toàn hệ

thống đánh lửa bán dẫn thông thường, giải quyết các yêu cầu ngày càng cao về độ độc hại của khí thải.

Hệ thống ESA là một hệ thống dùng ECU động cơ để xác định thời điểm đánh lửa dựa vào các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau Số tín hiệu vào càng nhiều thì việc xác định góc đánh lửa sớm tối ưu càng chính xác Hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử có thể chia thành 3 thành phần: tín hiệu vào (input signals), ECU và tín hiệu điều khiển Igniter (output signals)

Hình 2.16: Sơ đồ khối điều khiển đánh lửa của ECU

1 Tín hiệu tốc độ động cơ (NE)

2 Tín hiệu vị trí piston (G)

3 Tín hiệu tải (MAP)

4 Tín hiệu vị trí bướm ga (VTA)

5 Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát (THW)

6 Tín hiệu điện áp Accu

7 Tín hiệu kích nổ

Ngoài ra còn có thể có các tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến tốc độ xe,cảm biến oxy Sau khi nhận tín hiệu từ các cảm biến ECU động cơ tính toán thời điểm đánh lửa tối ưu được lưu trong bộ nhớ để phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ, sau đó gửi tín hiệu đánh lửa thích hợp đến IC đánh lửa

Trong các tín hiệu ngõ vào, tín hiệu tốc độ động cơ, vị trí piston (cốt máy) và tín hiệu tải

là các tín hiệu quan trọng nhất Để xác định tốc độ động cơ, người ta có thể đặt cảm biến

trên một vành răng ở đầu cốt máy, bánh đà, đầu cốt cam hoặc delco Để xác định tải của động cơ, ECU dựa vào tín hiệu áp suất trên đường ống nạp hoặc tín hiệu lượng khí nạp Do

sự thay đồi về áp suất trên đường ống nạp khi thay đổi tải, tín hiệu điện áp gởi về ECU sẽ thay đổi và ECU nhận tín hiệu này để xử lý và quy ra mức tải tương ứng để xác định góc đánh lửa sớm

Hình 2.17: Đồ thị đường đặc tính góc đánh lửa sớm

Trong các hệ thống đánh lửa trước đây, việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm được thực hiệnbằng phương pháp cơ khí với cơ cấu ly tâm và áp thấp Đường đặc tính đánh lửa sớm tối ưu rất đơn giản và không chính xác Trong khi đó, đường đặc tính đánh lửa lý tưởng được xác định bằng thực nghiệm rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều thông số Đối với hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử, góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh gần sát với đặc tính lý tưởng Kết hợp hai đặc tính đánh lửa sớm theo tốc độ và theo tải có bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng, với khoảng 1000 đến 4000 điểm đánh lửa sớm được chọnlựa đưa vào bộ nhớ

Hệ thống đánh lửa trên xe Toyota Camry 1997 là hệ thống không có bộ chia điện và sử dụng 2 Bobine đôi cho 4 máy Các Bobine được nối với 2 bougie của 2 máy song hành Bobine thứ nhất nối với bougie máy 1 và 4 còn Bobine thứ hai nối với bougie máy 2 và 3 Khi có dòng diện cảm ứng trong cuộn dây thứ cấp của Bobine thứ nhất, việc phân phôi đánh lửa cho máy 1 và máy 4 được thực hiện như sau:

; ;

Trong đó:

– hiệu điện thế của cuộn thứ cấp

– hiệu điện thế đặt vào khe hở của bougie số 1 và số 4

và – điện trở của khe hở bougie số 1 và số 4

Ở thời điểm đánh lửa, xylanh số 1 và số 4 cùng ở vị trí gần tử điểm thượng nhưng trong hai thì khác nhau nên điện trở khe hở bougie của các xylanh trên cũng khác nhau: Ví dụ xylanh số 1 đang ở thì nén thì rất lớn còn ở xylanh số 4 đang ở thì thoát nên rất nhỏ do sự xuất hiện nhiều ion nhờ phản ứng cháy và nhiệt độ Do đó: >>, và như vậy ta có ; 0 Có nghĩa là tia lửa chỉ xuất hiện ở bougie số 1 Trong trường hợp ngược lại: << ; ; 0, tia lửa sẽ xuất hiện ở boigie số 4 Quá trình tương tự cũng xảy ra đối với bougie số 2 và số 3 ECU đưa

ra xung điều khiển để đóng mở các Transistor và theo thứ tự thì nổ là 1 - 3 - 4 - 2 hoặc 1 - 2

- 4 - 3

Khi đã xác định được thời điểm đánh lửa, ECU động cơ gửi tín hiệu xung IGT đến IC đánh lửa Trong khi tín hiệu xung IGT ở mức cao là 5V được chuyển đến để bật IC đánh lửa,dòng điện sơ cấp chạy vào cuộn dây đánh lửa này Trong khi tín hiệu xung IGT ở mức thấp 0V, dòng điện sơ cấp và từ thông giảm đột ngột Trên cuộn thứ cấp của Bobine sẽ sinh ra một hiệu điện thế vào khoảng từ 15KV à 40KV Đồng thời, tín hiệu IGF được gửi đến ECU động cơ để báo lửa đã có để chuẩn bị quá trình ECU điều khiển phun nhiên liệu

Hình 2.18: Sơ đồ điều khiển góc đánh lửa sớm của hệ thống đánh lửa trực tiếp xe Toyota

Ngoài việc điều khiển thời điểm đánh lửa chính xác ECU còn có thể kiểm soát góc ngậmđiện (Dwell angle) của Bobine đánh lửa để động cơ hoạt động tối ưu hơn Góc ngậm điện là khoảng thời gian tín hiệu một chu kỳ xung IGT từ ECU truyền xuống ở mức cao 5V để mở Transistor công suất trong Igniter do đó có dòng chạy qua cuộn sơ cấp

Góc ngậm điện phụ thuộc vào hiệu điện thế Accu và tốc độ động cơ Khi khởi động, hiệu

điện thế Accu bị giảm do sụt áp, vì vậy ECU sẽ điều khiển tăng thời gian ngậm điện nhằm mục đích tăng dòng điện trong cuộn sơ cấp Ở tốc độ thấp, do thời gian tích lũy năng lượng quá dài (góc ngậm điện lớn) gây lẵng phí năng lượng nên ECU sẽ điều khiển xén bớt xung điện áp điều khiển để giảm thời gian ngậm điện nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng và tránh nóng Bobine Trong trường hợp dòng sơ cấp vẫn tăng cao hơn giá trị ấn định, bộ phận hạn chế dòng sẽ làm việc và giữ cho dòng điện sơ cấp không thay đổi cho đến thời điểm đánh lửa

Hình 2.19: Bản đồ góc ngậm điện 2.2.2 Điều khiển phun nhiên liệu

Đi tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu phát triển hệ thống phun nhiên liệu điện tử cho động cơ đốt trong sử dụng trên ô tô là hãng Bosch (Đức) từ những thập niên cuối thế kỷ trước Đến năm 1984, người Nhật mua bản quyền của Bosch và ứng dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử cho các xe của Toyota và chiếc Toyota camry 1997 cũng được trang bị bộ điều khiển này Ngày nay, hầu hết các xe ô tô du lịch trên thế giới sử dụng động cơ đốt trong đều được trang bị hệ thống phun nhiên liệu điện tử (Electronic Fuel Injection - EFI) Hệ thống này có khả năng cung cấp cho động cơ một hỗn hợp hòa khí hoàn hảo Tùy theo chế

độ làm việc của ô tô, EFI thay đổi tỷ lệ khí - nhiên liệu để luôn cung cấp cho động cơ một hỗn hợp khí tối ưu

Cấu tạo chung của hệ thống phun xăng điện tử bao gồm các cảm biến, bộ vi xử lý trung tâm và các cơ cấu chấp hành

Ưu điểm của hệ thống phun nhiên liệu điện tử:

- Cung cấp hỗn hợp không khí - nhiên liệu đến từng xylanh đồng đều

- Điều khiển được tỷ lệ không khí - nhiên liệu dễ dàng, chính xác với tất cả các dãy tốc độ làm việc của động cơ

- Đáp ứng nhanh chóng, chính xác với sự thay đổi góc mở bướm ga

- Hiệu suất nạp hỗn hợp không khí - nhiên liệu cao

- Hỗn hợp không khí - nhiên liệu trước khi cháy được phun tơi hơn, dẫn đến quá trình cháyđược hoàn thiện làm tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường đáng kể

Có nhiều loại hệ thống phun xăng điện tử tùy thuộc vào quan điểm của các nhà chế tạo

và mức độ hoàn hảo, kết cấu của hệ thống Trên ô tô du lịch hiện nay thường sử dụng một sốloại hệ thống phun xăng điện tử chính là:

- Hệ thống phun xăng điều khiển theo lưu lượng không khí (L - EFI): loại này lấy thông tinchính để điều khiển vòi phun qua lưu lượng đường ống nạp

- Hệ thống phun xăng điều khiển theo áp suất không khí (D - EFI): loại này lấy thông tin chính để điều khiển vòi phun qua áp suất đường ống nạp

- Hệ thống phun xăng điện tử một vòi phun: Hay còn được gọi là hệ thống phun đơn điểm hoặc hệ thống phun tập trung (Mono Injection) Trong hệ thống phun xăng kiểu này người ta dùng một vòi phun để phun xăng vào họng ống khuếch tán ở phía trên bướm ga của đường ống nạp chung cho tất cả các xylanh động cơ Hệ thống này được sử dụng kháphổ biến trên các động cơ công suất nhỏ do đơn giản và giá thành không cao

- Hệ thống phun xăng điện tử nhiều vòi phun: sử dụng nhiều vòi phun hay còn được gọi là

hệ thống phun đa điểm (MultiPoint Injection) Hệ thống này phun vào họng xupap nạp của từng xylanh hoặc trực tiếp vào từng xylanh động cơ Đồng thời hệ thống còn phun nhiên liệu làm nhiều lần giúp cho quá trình cháy được hoàn hảo và tránh được hiện tượng

ngưng đọng hơi xăng trong đường ống nạp Chính vì thế mà hệ thống được áp dụng cho phần lớn các ô tô hiện nay.

Điểm khác nhau căn bản giữa hệ thống cung cấp nhiên liệu thông thường với hệ thống phun xăng điện tử ở chỗ: Với hệ thống cung cấp nhiên liệu thông thường, chế độ làm việc của động cơ phụ thuộc hoàn toàn vào bàn đạp chân ga, hỗn hợp nhiên liệu và không khí được hòa trộn trong xylanh nhờ sự tụt áp Trong khi đó, với hệ thống phun xăng điện tử, chế

độ làm việc của động cơ phụ thuộc vào các tín hiệu từ các cảm biến gửi đến ECU như:

- Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát (THW)

- Tín hiệu nhiệt độ khí nạp (THA)

- Tín hiệu số vòng quay động cơ (NE)

- Tín hiệu vị trí bướm ga (VTA)

- Tín hiệu tốc độ xe (cảm biến tốc độ xe được lắp bên trong hộp số, phát hiện tốc độ xe và được đưa vào cực SP1 của ECU động cơ)

- Tín hiệu công tắc khởi động trung gian (phát hiện vị trí cần số ở trung gian, đỗ hay không và được đưa vào cực NSW của ECU động cơ)

- Tín hiệu công tắc A/C (điện áp hoạt động của ly hợp từ điều hòa được phát hiện và đưa vào cực A/C của ECU động cơ)

- Tín hiệu Accu (điện áp thường trực được cấp đến cực BATT của ECU, khi khóa điện được bật điện áp hoạt động của ECU được cấp đến chân +B qua Relay EFI)

- Tín hiệu lượng khí nạp (MAP)

- Tín hiệu máy khởi động (để xác định động cơ có đang khởi động hay không, điện áp cấp đến máy khởi động và tín hiệu cấp đến chân STA của ECU động cơ)

- Tín hiệu phản hồi đánh lửa IGF (sau khi tín hiệu IGT từ ECU động cơ gửi đến Igniter sẽ phản hồi rằng Bobine đã đánh lửa bằng tín hiệu xung IGF về lại ECU động cơ)

Sau khi nhận tín hiệu phản hồi từ các cảm biến, ECU điều khiển nhịp mass các chân về

từ kim phun là 2 chân #10 và #20 bằng 2 con Transistor để điều khiển cho 4 kim phun của 4 máy Do đó khi Relay EFI đóng dòng điện chạy qua các cuộn dây trong Solenoid của kim phun về mass làm Solenoid mở và nhiên liệu được phun vào buồn hòa trộn Bằng cách kích

mở Transistor để mở kim phun, ECU có thể điều khiển được thời gian phun tối ưu cho động cơ

Hình 2.20: ECU điều khiển phun nhiên liệu

2.3 Công nghệ IoT

2.4.1 Internet of Things là gì?

Hình 2.21: Sơ đồ kết nối của IoT

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT) là kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ khôngdây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó

Một vật trong IoT có thể là một người với một trái tim cấy ghép; một động vật ở trang trại với bộ chíp sinh học; một chiếc xe với bộ cảm ứng tích hợp cảnh báo tài xế khi bánh xe xẹp hoặc bất kỳ vật thể tự nhiên hay nhân tạo nào mà có thể gán được một địa chỉ IP và cungcấp khả năng truyền dữ liệu thông qua mạng lưới Cho đến nay, IoT là những liên kết máy đến máy (Machine to Machine - M2M) trong ngành sản xuất, công nghiệp năng lượng, kỹ nghệ xăng dầu Khả năng sản phẩm được tích hợp máy đến máy thường được xem như là thông minh

2.4.2 Khả năng định danh độc nhất

Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định dạng Nếu mọi đối tượng, kể cả con người, được định danh để phân biệt bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hoàn toàn quản lý được nó thông qua máy tính Việc đinh danh có thể được thực hiện thông qua nhiều công nghệ, chẳng hạn như RFID, NFC, mã vạch, mã QR, watermark kỹ thuật số Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại

Ngoài những kỹ thuật nói trên, nếu nhìn từ thế giới web, chúng ta có thể sử dụng các địa chỉ độc nhất để xác định từng vật, chẳng hạn như địa chỉ IP Mỗi thiết bị sẽ có một IP riêng biệt không nhầm lẫn Sự xuất hiện của IPv6 với không gian địa chỉ cực kỳ rộng lớn sẽ giúp mọi thứ có thể dễ dàng kết nối vào Internet cũng như kết nối với nhau

2.4.3 Xu hướng và tính chất của Internet of Things

- Thông minh: Sự thông minh và tự động trong điều khiển thực chất không phải là một

phần trong ý tưởng về IoT Các máy móc có thể dễ dàng nhận biết và phản hồi lại môi trường xung quanh, chúng cũng có thể tự điều khiển bản thân mà không cần đến kết nối mạng Tuy nhiên, trong thời gian gần đây người ta bắt đầu nghiên cứu kết hợp hai khái niệm IoT và Autonomous control (Điều khiển tự động) lại với nhau Tương lai của IoT

có thể là một mạng lưới các thực thể thông minh có khả năng tự tổ chức và hoạt động riêng lẻ tùy theo tình huống, môi trường, đồng thời chúng cũng có thể liên lạc với nhau

để trao đổi thông tin, dữ liệu

- Kiến trúc dựa trên sự kiện: Các thực thể, máy móc trong IoT sẽ phản hồi dựa theo các sự

kiện diễn ra trong lúc chúng hoạt động theo thời gian thực Một số nhà nghiên cứu từng nói rằng một mạng lưới các cảm biến chính là một thành phần đơn giản của IoT

- Là một hệ thống phức tạp: Trong một thế giới mở, IoT sẽ mang tính chất phức tạp bởi nó

bao gồm một lượng lớn các đường liên kết giữa những thiết bị, máy móc, dịch vụ với nhau

- Kích thước: Một mạng lưới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết

nối và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng Một con người

sống trong thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tượng có khả năng theo dõi.

- Vấn đề không gian, thời gian: Trong IoT, vị trí địa lý chính xác của một vật nào đó là rất

quan trọng Hiện nay, Internet chủ yếu được sử dụng để quản lý thông tin được xử lý bởi con người

2.4.5 Các hệ thống phụ trong IoT

Không phải tất cả mọi thứ nằm trong IoT đều nhất thiết phải kết nối vào một mạng lưới toàn cầu, chúng ta có thể hoạt động trong từng hệ thống đơn lẻ (subsystem) Hãy tưởng tượng đến một căn nhà thông minh, trong đó các đồ điện gia dụng có thể tự chúng tương tác với nhau và hoạt động mà không cần phải vào Internet, trừ khi chúng ta cần điều khiển nó từ

xa Ngôi nhà này có thể được xem là một subsystem Cũng giống như hiện nay chúng ta có các mạng LAN, WAN, mạng ngang hàng nội bộ chứ không kết nối trực tiếp vào Internet

2.4.6 Ứng dụng của IoT

Khi Internet of Things phát triển, sự phát triển của các thiết bị kết nối thông minh được

hỗ trợ bởi các mạng di động, cung cấp kết nối mở rộng khắp và phổ biến thì sẽ mở ra cơ hội cung cấp các dịch vụ nâng cao cuộc sống cho người tiêu dùng, đồng thời tăng năng năng suất cho các doanh nghiệp

Hình 2.22: Tác động của ứng dụng IoT đối với cuộc sống

Đối với người dùng, kết nối được cung cấp bởi IoT có thể nâng cao chất lượng cuộc sống của họ theo nhiều cách, như là sử dụng năng lượng hiệu quả, an ninh trong nhà và cả thành phố Trong gia đình, việc tích hợp các thiết bị kết nối thông minh và dịch vụ dựa trên đám mây sẽ giúp giải quyết vấn đề năng lượng và an ninh Các thiết bị thông minh kết nối sẽcho phép giảm bớt chi phí và tiêu tốn điện năng, đồng thời cải thiện an ninh tại nhà thông qua giám sát từ xa

Trong phương tiện giao thông: Tại các thành phố, sự phát triển của lưới điện thông

minh, phân tích dữ liệu và các phương tiện tự hành sẽ cung cấp một nền tảng thông minh để

đổi mới trong các lĩnh vực quản lý năng lượng, quản lý cơ sở hạ tầng, an ninh và giao thông.

Hệ thống đèn chiếu sáng, đèn giao thông, camera, xe tự hành sẽ hoạt động ở mức độ tối ưu nhất dựa vào các điều kiện thực tế đang xảy ra xung quanh để tiết kiệm năng lượng, giảm ô nhiễm môi trường, kẹt xe…

Đảm bảo an toàn cho phương tiện, có khả năng cảnh báo người lái những vấn đề trên đường và tự động nhận biết, ngăn cản những va chạm có thể xảy ra như các tín hiệu cảnh báo nguy hiểm, chức năng cuộc gọi khẩn cấp

Hỗ trợ nghe nhạc, xem phim cho người lái và hành khách như là giao tiếp với điện thoại thông minh thông qua Wi-Fi, 3G, 4G Một số nhà sản xuất ô tô đã có kế hoạch tích hợp mạng di động cho xe, để tải bản đồ trực tiếp nhanh hơn, có thể phát Wi-Fi cho người dùng máy tính trên xe

Sức khỏe: tối ưu hóa sức khỏe và năng lực của người lái như hỗ trợ cảnh báo về sức khỏe, sự mệt mỏi hoặc những hình thức hỗ trợ cá nhân khác

Hỗ trợ giảm thiểu chi phí vận hành và tăng sự thoải mái như điều khiển các tính năng từ

xa của xe hơi, hiển thị các thông tin, dịch vụ xe và sự truyền nhận dữ liệu, hướng dẫn nhanh hơn, an toàn hơn, tiết kiệm hơn và tăng hiệu quả nhiên liệu khi lái xe dựa trên những thông tin thu thập được trên xe như hiển thị thông tin giao thông thời gian thực, hiển thị các thông tin về sửa chữa và dịch vụ, thậm chí xe hơi còn liên kết với nhà thông minh, văn phòng và các tòa nhà khác để báo nguy và giám sát hệ thống năng lượng

Hình 2.23: Ứng dụng IoT trong thành phố thông minh (Smart cities)

- Trong Y tế: IoT cũng sẽ mở rộng tiếp cận và nâng cao chất lượng giáo dục và y tế Khi

nhu cầu về việc chăm sóc sức khỏe tăng lên, các thiết bị kết nối thông minh sẽ giúp giải quyết thách thức này bằng cách hỗ trợ các dịch vụ y tế điện tử, giúp cải thiện khả năng tiếp cận và cho phép theo dõi bệnh nhân tại nhà Như vậy chất lượng chăm sóc và chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân sẽ được nâng cao, đồng thời giảm sự quá tải của hệ thống bệnh viện hiện nay

Hình 2.24: Ứng dụng IoT trong Y tế

- Trong giáo dục: các giải pháp học tập linh hoạt sẽ điều chỉnh quá trình học tập theo nhu

cầu của mỗi học sinh Nâng cao trình độ giảng dạy, học tập thuận tiện và dễ tiếp cận hơn.Mỗi học sinh không cần mang nhiều sách đến trường, tất cả tài liệu đã được cung cấp trong các thiết bị thông minh Và từ những thiết bị thông minh đó, học sinh có thể kết nốiđến lớp và giáo viên để chia sẽ kiến thức và làm việc nhóm mà không cần đến trường

Hình 2.25: Ứng dụng IoT trong giáo dục 2.6.7 Hạn chế của IoT

Chưa có một ngôn ngữ chung

Ở mức cơ bản nhất, Internet là một mạng dùng để nối thiết bị này với thiết bị khác Nếu chỉ riêng có kết nối không thôi thì không có gì đảm bảo rằng các thiết bị biết cách nói

chuyện nói nhau Cũng giống như là bạn có thể đi từ Việt Nam đến Mỹ, nhưng không đảm bảo rằng bạn có thể nói chuyện với người Mỹ

Để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau, chúng sẽ cần một hoặc nhiều giao thức

(protocols), có thể xem là một thứ ngôn ngữ chuyên biệt để giải quyết một tác vụ nào đó Chắc chắn bạn đã ít nhiều sử dụng một trong những giao thức phổ biến nhất thế giới, đó là HyperText Transfer Protocol (HTTP) để tải web Ngoài ra chúng ta còn có SMTP, POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để trao đổi file

Hàng rào subnetwork

Như đã nói ở trên, thay vì giao tiếp trực tiếp với nhau, các thiết bị IoT hiện nay chủ yếu kết nối đến một máy chủ trung tâm do hãng sản xuất một nhà phát triển nào đó quản lý Cách này cũng vẫn ổn thôi, những thiết bị vẫn hoàn toàn nói chuyện được với nhau thông qua chức năng phiên dịch của máy chủ rồi Thế nhưng mọi chuyện không đơn giản như thế,

cứ mỗi một mạng lưới như thế tạo thành một subnetwork riêng, và buồn thay các máy móc nằm trong subnetwork này không thể giao tiếp tốt với subnetwork khác

Lấy ví dụ như xe ô tô chẳng hạn Một chiếc Ford Focus có thể giao tiếp cực kỳ tốt đến các dịch vụ và trung tâm dữ liệu của Ford khi gửi dữ liệu lên mạng Nếu một bộ phận nào đócần thay thế, hệ thống trên xe sẽ thông báo về Ford, từ đó hãng tiếp tục thông báo đến người dùng Nhưng trong trường hợp chúng ta muốn tạo ra một hệ thống cảnh báo kẹt xe thì mọi chuyện rắc rối hơn nhiều bởi xe Ford được thiết lập chỉ để nói chuyện với server của Ford, không phải với server của Honda, Audi, Mercedes hay BMW Lý do cho việc giao tiếp thất bại? Chúng ta thiếu đi một ngôn ngữ chung Và để thiết lập cho các hệ thống này nói chuyệnđược với nhau thì rất tốn kém, đắt tiền

Có quá nhiều "ngôn ngữ địa phương"

Bây giờ giả sử như các nhà sản xuất xe ô tô nhận thấy rằng họ cần một giao thức chung

để xe của nhiều hãng có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và họ đã phát triển thành công giao thức đó Thế nhưng vấn đề vẫn chưa được giải quyết Nếu các trạm thu phí đường bộ, các trạm bơm xăng muốn giao tiếp với xe thì sao? Mỗi một loại thiết bị lại sử dụng một "ngôn ngữ địa phương" riêng thì mục đích của IoT vẫn chưa đạt được đến mức tối đa Đồng ý rằng chúng ta vẫn có thể có một trạm kiểm soát trung tâm, thế nhưng các thiết bị vẫn chưa thật sựnói chuyện được với nhau

2.4.7 IoT trong công nghệ nhà thông minh

Trong các ngôi nhà hiện đại ngày nay, số lượng trang thiết bị điện tử đang không ngừng gia tăng Tuy nhiên, do khác nhau về kiến trúc, việc điều khiển thiết bị đôi khi bất cập Thêmvào đó, việc điều khiển các thiết bị một cách thủ công với khoảng cách địa lý lớn không dễ

Vì vậy, việc áp dụng các công nghệ điều khiển tự động nhằm giải quyết tương tác giữa môi

trường và các thiết bị trong nhà một cách linh hoạt, dễ dàng là điều tất yếu, từ đó khái niệm nhà thông minh ra đời.

Nhà thông minh hiểu đơn giản là ngôi nhà mà các thiết bị gia dụng trong nó như: hệ thống chiếu sáng, sưởi ấm, máy lạnh, TV, camera an ninh, … Có khả năng tự động hóa và giao tiếp với nhau theo một chương trình đã định sẵn Nguyên lý hoạt động của các hệ thốngđiều khiển tự động nói chung, hệ thống thông minh nói riêng tập trung chủ yếu vào việc giải quyết tương tác giữa hệ thống với môi trường Thông qua các cảm biến ta thu được tín hiệu, các tín hiệu này được lưu trữ, xử lý và tùy theo từng yêu cầu đặt ra mà điều khiển thiết bị theo mục đích cụ thể

 Thiết kế hệ thống nhà thông minh:

- Khối cảm biến: thu thập thông tin từ môi trường ngoài như nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa,

…

- Khối vi điều khiển: điều khiển hoạt động của hệ thống, ngoài ra còn đóng vai trò máy chủ

SERVER, nhận và thực thi các yêu cầu từ CLIENT khi sử dụng công nghệ IoT

- Khối xử lý dữ liệu mạng: tạo giao diện kết nối, chuyển đổi các gói dữ liệu đến và đi trên

hệ thống mạng

- Máy tính cá nhân: truyền tín hiệu điều khiển thông qua câu lệnh, chương trình, xử lý tín

hiệu, điều khiển hệ thống

- Khối phát và thu tín hiệu khi giao tiếp với các thiết bị có giao tiếp IoT với nhau.

- Khối máy chủ (SERVER): khối này được nhà sản xuất mua tên miền của các công ty uy

tín trên Internet để thay thế các con số của IP của SERVER và chuyển chúng thành một phần mềm ứng dụng có hỗ trợ trên các hãng thiết bị điện thoại di động, tablet và máy tính

- Khối các thiết bị thực thi trực tiếp: các thiết bị trong khối giao tiếp với khối điều khiển

trung tâm bằng sóng RF Mỗi thiết bị được nhà sản xuất định danh sẵn cho 1 địa chỉ IP vàthể hiện nhiệm vụ của chúng khi được kết nối với thiết bị trung tâm Từ đó mà từ bất cứ

thiết bị di động có hỗ trợ kết nối với ứng dụng hoặc miền của SERVER thông qua Internet đều có thể điều khiển dễ dàng các thiết bị này.

Hình 2.26: Hệ thống nhà thông minh

Thiết bị MCU đóng vai trò là trung tâm trong hệ thống giao tiếp không dây, MCU là thiết bị duy nhất được cắm cáp mạng Internet để điều khiển từ xa Các tính năng chính của MCU:

- Hỗ trợ thiết lập trực tiếp trên thiết bị ngoại vi - Sử dụng công nghệ điện toán đám mây

- Bảo mật hai chiều, 3 lớp theo biến số thời gian

- Tích hợp công nghệ Repeater đảm bảo sóng giao tiếp giữ các thiết bị được tốt hơn

- Có nhiều ứng dụng tự động nhận dạng kết nối giữa các thiết bị tùy theo nhà sản xuất

- Công nghệ Plug & Play tự động nhận dạng kết nối Cloud

- Tích hợp thời gian thực đặt lịch trình/hẹn giờ thiết bị

- Công nghệ tự động đồng bộ trạng thái và cập nhật dữ liệu lên Cloud - Tự động cập nhật thời gian

- Tự động cập nhật trạng thái thiết bị

- Công nghệ tự động kiểm tra lỗi và tự khởi động quy trình sửa chữa - Công nghệ đồng bộ

và xử lý song song cho phép mở rộng hệ thống

2.4.8 Ứng dụng IoT cho camera giám sát

- Công nghệ Camera 3G:

Camera 3G được lắp đặt quan sát ở một nơi chưa kéo được ADSL hay Cáp quang, thậmchí chưa có điện Cần để quan sát từ xa với mục đích theo dõi, quản lý dữ liệu và chỉ cần cósóng điện thoại là ở đó có mạng 3G

Do sử dụng mạng 3G nên không thể mở Port để xem Camera từ xa thông qua 3G được,bởi vì USB 3G đóng vai trò là một Client nằm sau một Router khác, địa chỉ IP được cấp khikết nối Internet 3G là một địa chỉ IP Private, địa chỉ này không thể nhìn thấy được từInternet Do đó muốn truy cập dữ liệu phải sử dụng đường hầm VPN

- Công nghệ mạng ngang hàng (mạng P2P) và Camera P2P:

Mạng ngang hàng là một kiểu mạng được thiết kế cho các thiết bị trong đó có chức năng

và khả năng của các thiết bị đó là như nhau Mạng ngang hàng đơn giản cũng được biết đếnbằng việc so sánh với mạng Client/Server, mạng mà trong đó chứa các thiết bị chịu tráchnhiệm cung cấp hay phục vụ thông tin mạng và các thiết bị khác sẽ sử dụng các tài nguyênmạng

Giúp cho việc quan sát từ xa qua Internet thông qua điện thoại 3G, Laptop và các thiết bịkhác thì hết sức dễ dàng Đây là một trong những công nghệ tiên tiến nhất dùng thuật toánđám mây và máy chủ server đặt ở nước ngoài cho phép người dùng có thể truy cập dữ liệu từthiết bị này đến thiết bị kia ở bất cứ đâu có kết nối Internet

Do sử dụng công nghệ P2P, nên không cần phải mở cổng (Port) thiết bị, không cần phảicài đặt IP hoặc đường hầm VPN

2.4.9 Kết luận

Internet of Things hứa hẹn sẽ mang đến một bước thay đổi lớn trong chất lượng cuộc sống của con người và năng suất làm việc của doanh nghiệp Thông qua sự phủ sóng của mạng diện rộng, sự thông minh của mạng cục bộ được sử dụng trên các thiết bị Thiết bị IoT

có tiềm năng cho phép mở rộng và cải tiến các dịch vụ vận tải, hậu cần, an ninh, tiện ích, y