ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BÃI ĐỖ XE THÔNG MINH DÙNG PLC ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT SCADA
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.............................................................................................................. 11
DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH .............................................................................................................. 12
CHƯƠNG 1: TỔNG QUANG ...................................................................................................................... - 1 -
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................................................................... - 1 -
1.2 MỤC TIÊU ...................................................................................................................................... - 2 -
1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ............................................................................................................... - 2 -
1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU, VÀ ÁP DỤNG .............................................................................................. - 2 -
1.5 NỘI DUNG ĐỀ TÀI ........................................................................................................................... - 2 -
1.6 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................................................................... - 2 -
PHÂN TÍCH CÁC GIẢI PHÁP BÃI GIỮ XE Ô TÔ TỰ ĐỘNG PHỔ BIẾN TRÊN THỊ TRƯỜNG. .................................. - 2 -
1.6.1 Bãi đỗ xe truyền thống. ....................................................................................................... - 2 -
1.6.2 Bãi đỗ xe dạng khách hàng sẽ tự lái quanh tòa nhà. ........................................................ - 3 -
1.6.3 Bãi đỗ xe ô tô dạng xoay vòng. ........................................................................................... - 4 -
1.6.4 Bãi đỗ xe ô tô tự động dạng tòa nhà hình trụ tròn. ........................................................... - 4 -
1.6.5 Bãi đỗ xe ô tô tự động dạng tòa nhà hình vuông. .............................................................. - 6 -
1.7 CÁC PHẦN MỀM ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI. ........................................................................... - 6 -
1.7.1 Giới thiệu công nghệ RFID. ............................................................................................... - 6 -
1.7.2 Ngôn ngữ lập trình C# và .NET Framework ..................................................................... - 7 -
1.7.3 Thư việt S7.NET ................................................................................................................. - 8 -
1.7.4 Thư viện xử lý ảnh Emgu CV. ............................................................................................ - 8 -
1.7.5 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQL Server. ............................................................................... - 8 -
1.7.6 Khái niệm về HTLM và AWP. ............................................................................................ - 8 -
1.7.7 Các chuẩn truyền dữ liệu. .................................................................................................. - 9 -
1.7.8 Giới thiệu một số phần mềm lập trình.............................................................................. - 10 -
1.8 GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHẦN MỀM ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI ................................................. - 13 -
1.8.1 PLC (Programmable Logic Controller). .............................................................................. - 13 -
1.8.2 Arduino .............................................................................................................................. - 15 -
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................... - 16 -
2.1 CÁC PHƯƠNG ÁN GIỮ XE. ............................................................................................................. - 16 -
2.1.1 Giải pháp bãi giữ xe ô tô người lái xe di chuyển vòng quanh tòa nhà hình trụ ............. - 16 -
2.1.2 Giải pháp bãi giữ xe ô tô xếp chồng ................................................................................. - 16 -
2.1.3 Giải pháp bãi giữ xe ô tô tự động dạng tòa nhà vuông ................................................... - 17 -
2.1.4 Giải pháp bãi giữ xe ô tô tự động dạng tòa nhà hình trụ ................................................ - 18 -
2.2 LỰA CHỌN CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG. ............................................................................................. - 18 -
2.2.1 Cơ cấu vít me – đai ốc trượt. ............................................................................................. - 18 -
2.2.2 truyền động đai: ................................................................................................................ - 19 -
2.2.3 Truyền động xích: ............................................................................................................. - 20 -
2.2.4 Phân tích phương án dẫn hướng. .................................................................................... - 21 -
2.3 PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN.............................................................................................................. - 23 -
2.3.1 Sử dụng bộ lập trình PLC ................................................................................................. - 23 -
2.3.2 Sử dụng vi điều khiển Arduino cho chương trình đọc thẻ RFID ................................... - 27 -
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH ...................................................................... - 34 -
3.1 THU THẬP CƠ SỞ DỮ LIỆU BAN ĐẦU. ............................................................................................ - 34 -
Yêu cầu của mô hình: ...................................................................................................................... - 34 -
Thông số kỹ thuật ô tô 7 chỗ hiện nay. ........................................................................................... - 34 -
3.2 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH HỆ THỐNG. ................................................................ - 36 -
3.2.1 Số liệu xe thực tế thu thập được. ...................................................................................... - 36 -
3.2.2 Số liệu xe mô hình. ........................................................................................................... - 36 -
3.2.3 Ta có tỷ lệ giữa mô hình với dự án thật ........................................................................... - 36 -
3.2.4 Tính toán cơ cấu in/out. .................................................................................................... - 37 -
3.2.5 Tính toán cơ cấu nâng hạ ................................................................................................. - 41 -
3.2.6 Tính toán cơ cấu cụm xoay............................................................................................... - 44 -
3.2.7 Thiết kế chi tiết in 3d bằng solidword ............................................................................... - 47 -
3.3 THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN. .............................................................................................. - 48 -
3.3.1 Sơ đồ kết nối module RFID với Arduino. ........................................................................ - 48 -
3.3.2 Sơ đồ kết nối PLC. ............................................................................................................ - 50 -
3.3.3 Mạch đảo chiều động cơ điện 1 chiều dùng 2 relay trung gian. ..................................... - 50 -
3.3.4 Mạch đấu dây driver và động cơ bước. ............................................................................ - 51 -
CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO MÔ HÌNH .................................................................................................... - 52 -
4.1 CHỌN THIẾT BỊ CƠ KHÍ. ............................................................................................................... - 52 -
4.1.1 Pulley GT2 20 răng 6.35mm. .............................................................................................. - 52 -
4.1.2 Ròng rọc GT2 .................................................................................................................... - 52 -
4.1.3 Dây đai GT2 ...................................................................................................................... - 52 -
4.1.4 Thanh trượt tròn: .............................................................................................................. - 53 -
4.1.5 Ổ bi LM8UU (con trượt): .................................................................................................. - 54 -
4.1.6 Bạc đạn đỡ trục KLF08: ................................................................................................... - 54 -
4.1.7 Lựa chọn vật liệu làm các tầng để xe. .............................................................................. - 55 -
4.1.8 Chọn cách thi công mô hình. ........................................................................................... - 55 -
4.2 LẮP RÁP BỘ ĐIỀU KHIỂN .............................................................................................................. - 56 -
4.2.1 Lựa chọn cảm biến: .......................................................................................................... - 56 -
4.2.2 Webcam Logitech C270 720p. .......................................................................................... - 56 -
4.2.3 Động cơ bước .................................................................................................................... - 57 -
4.2.4 Chọn driver cho động cơ bước. ........................................................................................ - 58 -
4.2.5 Lựa chọn vi điều khiển cho hệ thống. .............................................................................. - 59 -
4.2.6 Lắp ráp bộ điều khiển ....................................................................................................... - 66 -
4.3 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN. .............................................................................................................. - 71 -
4.3.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống. ......................................................................................... - 71 -
4.3.2 Chế độ điều khiển bằng tay: ............................................................................................. - 72 -
4.3.3 Sơ đồ giải thuật tối ưu vị trí gửi xe. .................................................................................. - 74 -
4.3.4 Sơ đồ giải thuật nhận dạng và xử lý biển số xe. .............................................................. - 74 -
4.3.5 Giải thuật sơ đồ điều khiển PLC. ..................................................................................... - 76 -
4.3.6 Thiết kế phần mềm giám sát trên WINCC. ...................................................................... - 77 -
4.3.7 Giao diện giám sát và điều khiển bên C#. ........................................................................ - 81 -
4.4 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN, THAO TÁC. ............................................................................................... - 82 -
CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.......................................... - 83 -
5.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .......................................................................................................................... - 83 -
5.1.1 Thi công bảng điện cho mô hình ...................................................................................... - 86 -
5.1.2 Vận hành hệ thống. .......................................................................................................... - 87 -
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ................................................................................................................... - 98 -
PHỤ LỤC ............................................................................................................................................ - 99 -
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................. - 112 -
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
VAMA: Vietnam Automobile Manufacturers Association
RFID: Radio Frequency Identification
UID: Unique Identification
PIC: Programmable Intelligent Computer
PLC: Programmable Logic Controller
FB: Function Block
FC: Function OB: Oganization block
LAD: Ladder Logic
FBD: Function Block Diagram
STL: Statement List
IDE: Integrated Development Environment
TIA Portal: Total Integrated Automation Portal
OpenCV: Open Source Computer Vision
VB: visual basic
SQL: Structured Query Language
USB: Universal Serial Bus
SPI: Serial Peripheral Interface
SCK: Serial Clock
MISO: Master Input Slave Output
MOSI: Master Output Slave Input
SS: Slave Select
NC: Normally Closed
NO: Normally Open
WC: Website camera
HTML: HyperText Markup Language
AWP: Automation Web Programming
DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH
Hình 2. 1: Giải pháp bãi đỗ xê ô to dạng xe duy chuyển vòng quanh tòa nhà - 16 -
Hình 2. 2: Giải pháp bãi giữ xe ô tô xếp chồng ................................................. - 17 -
Hình 2. 3: Giải pháp bãi giữ xe ô tô tự động dạng tòa nhà vuông ................... - 17 -
Hình 2. 4: Giải pháp bãi giữ xe ô tô tự động tòa nhà dạng hình trụ ............... - 18 -
Hình 2. 5: Cơ cấu vít me – đai ốc trượt. ............................................................ - 19 -
Hình 2. 6 : Truyền động đai. .............................................................................. - 20 -
Hình 2. 7: Cấu tạo của bộ truyền động xích. ..................................................... - 21 -
Hình 2. 8: Ray trượt vuông ................................................................................. - 22 -
Hình 2. 9: Ray trượt tròn. .................................................................................. - 22 -
Hình 2. 10: PLC S7 1200 .................................................................................... - 23 -
Hình 2. 11: Đa dạng kết nối giao tiếp của plc ................................................... - 26 -
Hình 2. 12: Cấu tạo của Arduino Uno R3 ......................................................... - 28 -
Hình 2. 13: Giao diện phần mềm ARDUINO IDE............................................ - 31 -
Hình 2. 14: Cách trên board trên phần mềm IDE............................................. - 32 -
Hình 2. 15: Cấu trúc chương trình IDE ............................................................ - 33 -
Hình 3. 1 : Xe áp dụng cho mô hình .................................................................. - 34 -
Hình 3. 2: Xe thực tế ........................................................................................... - 35 -
Hình 3. 3: Sớ đồ động cơ cấu in/out .................................................................. - 37 -
Hình 3. 4: Cơ cấu in/out ..................................................................................... - 38 -
Hình 3. 5: Sơ đồ động cơ cấu nâng hạ............................................................... - 41 -
Hình 3. 6: Cơ cấu nâng hạ ................................................................................. - 41 -
Hình 3. 7: Moto hệ thống nâng .......................................................................... - 43 -
Hình 3. 8: Sô đồ động cơ cấu cụm xoay. ........................................................... - 44 -
Hình 3. 9: Cơ cấu cụm tròn xoay ...................................................................... - 44 -
Hình 3. 10: Động cơ bước NEMA size 57. ......................................................... - 46 -
Hình 3. 11: Các khối 3D được thiết kế trên Solidworks. ................................... - 47 -
Hình 3. 12: Mô hình hoàn thiện thiết kế trên Solidworks. ............................... - 48 -
Hình 3. 13: Sơ đồ kết nối module RFID với Arduino. ...................................... - 48 -
Hình 3. 14: Sơ đồ kết nối PLC. Sơ đồ mạch điện điều khiển. .......................... - 50 -
Hình 3. 15: Mạch đảo chiều động cơ điện 1 chiều. ........................................... - 50 -
Hình 3. 16: Mạch đấu dây cho driver và động cơ bước. ................................... - 51 -
Hình 4. 1: Pulley GT2 20 răng 6.35mm. ............................................................ - 52 -
Hình 4. 2: Ròng rọc GT2. ................................................................................... - 52 -
Hình 4. 3: Dây đai GT2. ...................................................................................... - 53 -
Hình 4. 4: Thanh trượt tròn. ................................................................................ - 53 -
Hình 4. 5: Ổ bi LM8UU (con trượt). .................................................................. - 54 -
Hình 4. 6: Bạc đạn đỡ trục KLF08. ................................................................... - 54 -
Hình 4. 7: Mica Trung Quốc 5mm. .................................................................... - 55 -
Hình 4. 8: Cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản E3F-DS30C4 ................... - 56 -
Hình 4. 9: Webcam Logitech C270 720p. .......................................................... - 57 -
Hình 4. 10: Động cơ bước NEMA size 57. ......................................................... - 57 -
Hình 4. 11: Driver động cơ bước TB6600. ........................................................ - 59 -
Hình 4. 12 PLC S7-1200 CPU 1212C/DC/DC/DC. ........................................... - 60 -
Hình 4. 13: Module RFID MFRC522 NFC 13.56MHz. ................................... - 62 -
Hình 4. 14: Arduino UNO R3. ............................................................................ - 64 -
Hình 4. 15: Công tắc hành trình 1A – 125 VAC. .............................................. - 64 -
Hình 4. 16: Relay Omron 24VDC. ..................................................................... - 65 -
Hình 4. 17:Lắp ráp cơ cấu cụm in/out ............................................................... - 66 -
Hình 4. 18: lắp cơ cấu nâng hạ ......................................................................... - 67 -
Hình 4. 19: Lắp ráp động cơ bước cơ cấu xoay. ............................................... - 68 -
Hình 4. 20: Mô hình tổng quan của hệ thống ................................................... - 69 -
Hình 4. 21: Mô hình hoàn chỉnh của hệ thống ................................................. - 70 -
Hình 4. 22: Sơ đồ hoạt đông chung của hệ thông ............................................. - 71 -
Hình 4. 23: Sơ đồ hoạt động của hệ thống ở chế độ điều khiển bằng tay. ....... - 72 -
Hình 4. 24: Sơ đồ hoạt động của hệ thống ở chế độ điều khiển tự động. ........ - 73 -
Hình 4. 25: Sơ đồ giải thuật tối ưu vị trí gửi ..................................................... - 74 -
Hình 4. 26: Sơ đồ giải thuật nhận dạng và xử lý biển số xe. ............................ - 75 -
Hình 4. 27: Giải thuật sơ đồ điều khiển PLC. ................................................... - 76 -
Hình 4. 28: Thiết kế phần mềm giám sát trên WINCC. .................................... - 77 -
Hình 4. 29: Giao diện chính màn hình giám sát trên WinCC .......................... - 78 -
Hình 4. 30: Giao diện giám sát và điều khiển trên WinCC .............................. - 79 -
Hình 4. 31: Bảng điều khiển của hệ thống giám sát trên WinCC .................... - 79 -
Hình 4. 32: Nút Mannual trong màn hình điều khiển và giám sát trên WinCC - 80 -
Hình 4. 33: Giao diện giám sát và điều khiển hệ thống trên Webserver .......... - 81 -
Hình 4. 34: Màn hình điều khiển và giám sát C# Winforms ............................ - 81 -
Hình 5. 1: Chương trình C# khi hệ thống bắt đầu hoạt động .......................... - 83 -
Hình 5. 2: Màn hình giám sát WINCC ở trạng thái ban đầu ........................... - 84 -
Hình 5. 3: Web Server ở trạng thái ban đầu ...................................................... - 85 -
Hình 5. 4: Bảng điện của hệ thống .................................................................... - 86 -
Hình 5. 5: Quẹt thẻ .............................................................................................. - 87 -
Hình 5. 6: Hệ thống hoạt động gửi xe vào ......................................................... - 88 -
Hình 5. 7: Chương trình C# sau khi gửi xe thứ nhất vào ................................. - 88 -
Hình 5. 8: Màn hình WINCC sau khi gửi xe đầu tiên ...................................... - 89 -
Hình 5. 9: Màn hình Web Server sau khi gửi xe đầu tiên ................................ - 89 -
Hình 5. 10: Chương trình C# sau khi gửi xe thứ 2 ........................................... - 90 -
Hình 5. 11: Màn hình WinCC sau khi gửi xe thứ 2 .......................................... - 91 -
Hình 5. 12: Web Server sau khi gửi xe thứ 2..................................................... - 91 -
Hình 5. 13: Cơ sở dữ liệu khi ban đầu ............................................................... - 92 -
Hình 5. 14: Màn hình WinCC sau khi gửi xe thứ 3 .......................................... - 92 -
Hình 5. 15: Web Server sau khi gửi xe thứ 3..................................................... - 93 -
Hình 5. 16: Hệ thống tiến hành lấy xe ra ở vị trí số 2 ....................................... - 93 -
Hình 5. 17: Chương trình C# sau khi lấy xe số 2 .............................................. - 94 -
Hình 5. 18: Màn hình WinCC sau khi lấy xe số 2 ra ........................................ - 94 -
Hình 5. 19: Web Server sau khi xe số 2 được lấy ra ngoài ............................... - 95 -
Hình 5. 20: Chương trình C# sau khi gửi xe mới vào vị trí số 2 ...................... - 95 -
Hình 5. 21: Cơ sở dữ liệu lúc sau ....................................................................... - 96 -
Hình 5. 22: Chương trình C# sau khi gửi xe thứ tư ......................................... - 96 -
Hình 5. 23: Màn hình Wincc sau khi gửi xe thứ tư .......................................... - 97 -
Hình 6. 1: Sơ đồ mối quan hệ giữa FB, FC và OB1. ........................................ - 99 -
Hình 6. 2: Khối State 0 ........................................................................................ - 99 -
Hình 6. 3: Khối State 1. ....................................................................................... - 99 -
Hình 6. 4: Khối State 2. ..................................................................................... - 100 -
Hình 6. 5: Sơ đồ các vị trí trong mô hình. ....................................................... - 100 -
Hình 6. 6: Khối State 4. ..................................................................................... - 101 -
Hình 6. 7: Khối State 40. ................................................................................... - 101 -
Hình 6. 8: Khối State 41. ................................................................................... - 102 -
Hình 6. 9: Khối State 42. ................................................................................... - 102 -
Hình 6. 10: Khối state 5. ................................................................................... - 103 -
Hình 6. 11: Khối state 50. ................................................................................. - 103 -
Hình 6. 12: Khối state 51. ................................................................................. - 104 -
Hình 6. 13: Khối state 52. ................................................................................. - 104 -
Hình 6. 14: Các bước để kết nối và sử dụng Web Server. ............................... - 106 -
Hình 6. 15: Các bước để kết nối và sử dụng Web Server. ............................... - 107 -
Hình 6. 16: Các bước để kết nối và sử dụng Web Server. ............................... - 107 -
Hình 6. 17: Các bước để kết nối và sử dụng Web Server. ............................... - 108 -
Hình 6. 18: Các bước để kết nối và sử dụng Web Server. ............................... - 108 -
Hình 6. 19: Các bước để kết nối và sử dụng Web Server. ............................... - 109 -
Hình 6. 20: Cơ sở dữ liệu SQL Server ban đầu ............................................... - 109 -
Hình 6. 21: Chương trình tối ưu vị trí gửi xe .................................................. - 110 -
Đồ án tốt nghiệp - 1 -
Chương 1: TỔNG QUANG
1.1 Đặt vấn đề
Theo báo cáo bán hàng của VAMA (Hiệp hội các nhà sản xuất ôtô Việt Nam) trong tháng 5/2019, doanh số bán hàng của thị trường đạt 27.373 xe, tăng 30% so với tháng 4/2019, tăng 18% so với tháng 5/2018. Trong đó doanh số xe du lịch tăng 36% so với tháng trước. Sản lượng của xe lắp ráp trong nước là 15.162 xe và số lượng xe nhập khẩu nguyên chiếc là 12.211 xe, tăng lần lượt là 8% và 75% so với tháng 4/2019. Điều đó cho thấy nhu cầu mua ô tô của người Việt Nam vẫn còn rất lớn và chưa có dấu hiệu giảm nhiệt. Đó là bởi vì xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu đi lại, kinh doanh của người dân cũng tăng lên. Ngoài ra, sự ra đời của nhà sản xuất ô tô Việt Nam Vinfast với các dòng xe xăng nổi tiếng như Vinfast LUX và Fadil. Giá xăng tăng cao với việc gia tăng mạnh về xe điện cũng làm gia tăng mạnh của thị trường ô tô trong nước. Cụ thể hãng xe ô tô việt nam đã cho ra đời mẫu xe điện nhà VinFast là VF 8 vẫn duy trì doanh số bán hàng ấn tượng và lần đầu tiên cán đích ở vị trí quán quân. Doanh số tháng 5/2023 vừa qua của VF8 đạt 1.274 chiếc, tăng nhẹ 42 chiếc so với tháng trước (với 1.232 chiếc). Cộng dồn 5 tháng đầu năm, có 2.901 chiếc VF 8 được bán ra. Doanh số của VF 8 trong 2 tháng vừa qua tăng trưởng mạnh được cho là do hãng taxi Xanh SM mới thành lập đã mua một lượng lớn các xe VF 8 và VF e34 đưa vào phục vụ khách hàng cũng sẽ hứa hẹn làm tăng sự tiêu thụ ô tô của nước nhà(theo Vietnamnet). Tuy nhiên, đi cùng với sự phát triển đó là những vấn đề nãy sinh về sự quá tải trong việc đáp ứng nhu cầu gửi xe của người dân. Nhiều phương tiện còn phải sử dụng vỉa hè, lòng đường để đỗ xe, tình trạng bẻ trộm kính tháo bánh xe khi đậu vỉa hè lòng đường. Điều đó gây nên sự cản trở giao thông, gây nên hiện tượng kẹt xe, tắc đường thường xuyên nhất là vào những giờ cao điểm. Ngoài ra nó cũng làm mất mỹ quan đô thị, an toàn trật tự cho người dân bản địa. Để giải quyết được vấn đề đặt ra thì việc xây dựng các bãi giữ xe thông minh là hoàn toàn thiết yếu. Những hệ thống đỗ xe ô tô tự động như vậy sẽ được ứng dụng các tiến bộ về khoa học kỹ thuật để vừa có thể đáp ứng được nhu cầu to lớn của người dân, vừa mang vẻ đẹp kiến trúc, làm phong phú thêm cảnh quan đô thị của thành phố.
Đồ án tốt nghiệp - 2 -
1.2 Mục tiêu
Thiết kế và thi công được một mô hình bãi giữ xe ô tô mang tính tự động cao điều khiển bằng PLC và các thiết bị tự động khác như cảm biến, công tắc hành trình, động cơ bước. Ứng dụng được công nghệ RFID kết hợp xử lý ảnh nhận dạng biển số xe, xây dựng được các phần mềm quản lý giám sát để tăng tính thông minh cho hệ thống.
1.3 Đối tượng nghiên cứu
Trong đề tài này, nhóm em muốn hướng mô hình một hệ thống bãi giữ xe ô tô dưới 2,8 tấn âm dưới lòng đất.
1.4 Phạm vi nghiên cứu, và áp dụng
Trong đề tài này, nhóm sẽ tiến hành nghiên cứu các nội dung gồm có: nhu cầu về bãi giữ xe hiện nay, phân tích và chọn ra giải pháp thiết kế phù hợp, nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống và giao tiếp giữa các thiết bị sử dụng.
Phạm vi áp dụng như chung cư, siêu thị, thành phố lớn, …
1.5 Nội dung đề tài
• Chương 1: Tổng quan.
• Chương 2: Thiết kế và xây dựng hệ thống.
• Chương 3: Chế tạo và thực nghiệm mô hình.
• Chương 4: Kết quả so sánh, thực nghiệm, phân tích, tổng hợp.
• Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
1.6 Cơ sở lý thuyết
Phân tích các giải pháp bãi giữ xe ô tô tự động phổ biến trên thị trường.
1.6.1 Bãi đỗ xe truyền thống.
Tất cả những gì bãi đỗ xe này cần chỉ là một bãi đất trống và một số nhân viên quản lý, bán vé và ghi lại biển số xe của khách hàng.
a. Ưu điểm:
• Chi phí đầu tư thấp.
• Chi phí vận hành thấp.
• Hệ thống vận hành đơn giản.
b. Nhược điểm:
Đồ án tốt nghiệp - 3 -
• Không có tính tự động cao.
• Số lượng chỗ giữ xe ít hơn so với các bãi giữ xe nhiều tầng cùng diện tích.
• Cần phải có một diện tích đất khá lớn.
Hình 1. 1 : Bãi đỗ xe truyền thống
1.6.2 Bãi đỗ xe dạng khách hàng sẽ tự lái quanh tòa nhà.
Giải pháp giữ xe này cơ bản cũng giống như bãi đỗ xe truyền thống nhưng có một điểm khác là được xây dựng thành một tòa nhà có nhiều tầng hơn. Khách hàng sẽ tự lái xe vào chỗ gửi xe qua những đường vòng được thiết kế cho xe di chuyển. Bãi đỗ xe dạng này có hình ảnh như hình 2.2.
a. Ưu điểm: Có nhiều chỗ giữ xe hơn so với bãi giữ xe truyền thống. Tuy nhiên vẫn chưa tối ưu lắm về mặt sử dụng không gian gửi xe.
b. Nhược điểm: Do khách hàng tự lái xe vào chỗ gửi xe nên tính an toàn chưa cao cũng như là lượng khí thải từ xe ô tô chưa được cắt giảm nhiều.
Bãi đỗ xe ô tô dạng xoay vòng.
Hệ thống bãi đỗ xe thông minh này được thiết kế giúp các xe được gửi xoay vòng. Khi lấy xe luân phiên, hệ thống có thể quay hai chiều giúp lấy xe nhanh hơn. Bãi đỗ xe dạng này có hình ảnh như hình 1.2.
a. Ưu điểm:
• Chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp.
• thời gian cất và lấy xe nhanh chóng.
• Hệ thống gọn nhẹ, lắp đặt nhanh.
b. Nhược điểm:
• Chỉ phù hợp với những không gian nhỏ.
• số lượng chỗ đỗ xe nhỏ
1.6.4 Bãi đỗ xe ô tô tự động dạng tòa nhà hình trụ tròn.
Trong hệ thống bãi giữ xe ô tô tự động này, xe sẽ được cất giữ ở xung quanh hình trụ tròn. Do đó tăng được số lượng chỗ gửi xe cho hệ thống. Bãi đỗ xe dạng này có hình ảnh như hình 1.3.
a. Ưu điểm:
• Có sức chứa số lượng xe lớn hơn so với những bãi đỗ xe ô tô tự động khác.
Đồ án tốt nghiệp - 5 -
• Thời gian lấy xe nhanh, tính tự động cao.
• Tính thẩm mỹ của hệ thống cao, làm tăng mỹ quan đô thị của thành phố hiện đại.
• Cắt giảm được một lượng khí thải của xe vì hệ thống hoạt động khi xe đã tắt máy góp phần bảo vệ môi trường.
b. Nhược điểm: Vấn đề về chi phí đầu tư và yêu cầu về kỹ thuật công nghệ cao.
Hình 1. 3: Bãi đỗ xe ô tô tự động hình trụ tròn.
Hình 1. 4: Bãi đỗ xe dạng xoay vòng.
Đồ án tốt nghiệp - 6 -
1.6.5 Bãi đỗ xe ô tô tự động dạng tòa nhà hình vuông.
Trong hệ thống bãi giữ xe ô tô tự động này, xe sẽ được cất giữ ở các vị trí 2 bên của bãi.
a. Ưu điểm:
• thời gian cất và lấy xe nhanh chóng.
• Tính thẩm mỹ khá cao, có thể lắp đặt ngầm dưới lòng đất.
• Sử dụng tốt ở những nơi có diện tích đất hẹp.
b. Nhược điểm: Giá đầu tư cao.
Hình 1. 5: Bãi đỗ xe ô tô tự động dạng hình vuông
1.7 Các phần mềm được sử dụng trong đề tài.
1.7.1 Giới thiệu công nghệ RFID.
Là một công nghệ nhận dạng qua tần số vô tuyến, dùng kết nối sóng vô tuyến để tự động xác định và theo dõi các thẻ nhận dạng gắn vào vật thể. Trong đề tài thì đối tượng cần theo dõi là các thẻ từ chứa thông tin được lưu trữ bằng chip điện tử. Các thẻ từ này sẽ nhận năng lượng phát ra từ thiết bị đọc RFID (reader) và dùng năng lượng này
để gửi ra lại mã thông tin của thẻ qua sóng mang. Từ đó thiết bị RFID reader sẽ nhận biết được mã thông tin của thẻ từ đó. Mỗi loại thiết bị RFID reader sẽ chỉ phát ra một sóng điện từ với tần số nhất định để kiểm tra được thẻ nào phù hợp với dải tần số hoạt động. Quá trình phát ra năng lượng và thu lại tín hiệu sóng điện từ được diễn ra nhờ các antenna. Mỗi thẻ từ chứa một mã thẻ nhất định và không trùng lặp nhau, hay còn được nhắc đến với tên gọi là UID (Unique Identifier). Với module RFID RC522 được sử dụng trong hệ thống thì tầm hoạt động cỡ vài centimet. Ngoài ra ở ngoài thị trường có những loại thẻ từ mà module đọc thẻ từ với tần số khác nhau có thể truyền nhận lên đến vài trăm mét. Ưu điểm của công nghệ này là không sử dụng tia sáng như công nghệ mã vạch và có thể đọc và nhận dạng thông tin được truyền qua những khoảng cách nhỏ mà không cần tiếp xúc vật lý. Hơn nữa, các bộ phận đọc thẻ từ RFID có thể đọc được thông tin từ các thẻ thậm chí xuyên qua các môi trường, vật liệu như: bê tông, tuyết, sương mù, sơn và các môi trường thách thức khác mà công nghệ mã vạch và các công nghệ khác không thể phát huy hiệu quả.
Hình 1. 6: Công nghệ RFID.
1.7.2 Ngôn ngữ lập trình C# và .NET Framework
C# là một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng được phát triển bởi Microsoft, dựa trên C++ và Java. Được giới chuyên môn nhận định là một ngôn ngữ lập trình đơn giản, hiện đại, hướng đến nhiều mục đích sử dụng. Ngoài ra, tính mạnh mẽ, sự bền bỉ và năng suất của việc lập trình cũng là một điểm mạnh của ngôn ngữ này.
NET Framework là một nền tảng có thể sử dụng với ngôn ngữ .NET như C# để phát triển các trang web động (ASP.NET), các ứng dụng cho Windows, Windows Phone. Nó dược tổ chức thành tập hợp các namespace, nhóm các class có cùng chức năng lại
Đồ án tốt nghiệp
với nhau, ví dụ như System.Drawing cho đồ họa, System.Collections cho cấu trúc dữ liệu và System.Windows.Forms cho hệ thống Windows Forms.
1.7.3 Thư việt S7.NET
Là một thư viện mà trong đề tài này nhóm em dùng để kết nối phần mềm lập trình Visual Studio với PLC thông qua cổng Ethernet. Thư viện này tương thích với đa số các dòng PLC Siemen và được viết hoàn toàn bằng C#. Trước khi thao tác thì ta phải mở kết nối và sau đó là ngắt kết nối nó đi, ta có thể sử dụng hàm Open() và hàm Close() cho hai thao tác này. Nhóm em thường thao tác với việc Set hoặc Reset 1 biến trong PLC và đọc trạng thái tín hiệu biến nào đó trong PLC về lại Visual Studio.
1.7.4 Thư viện xử lý ảnh Emgu CV.
Emgu CV là một thư viện xử lý hình ảnh, thị giác máy tính dành riêng cho ngôn ngữ C#. Cho phép gọi các hàm chức năng của thư viện xử lý ảnh OpenCV. Nó tương thích với các ngôn ngữ như C#, VB, VC++ và Python.
Có thể được Visual Studio, Xamarin Studio và Unity biên dịch, nó có thể chạy trên Windows, Linux, Mac OS X, iOS, Điện thoại Android và Windows.
1.7.5 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQL Server.
SQL Server hay Microsoft SQL Server là hệ quản trị cơ sở dữ liệu tự do được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. SQL Server có ưu điểm là tốc độ xử lý và tính bảo mật cao, ổn định và dễ sử dụng. Do đó nó rất thích hợp cho các ứng dụng có truy cập cơ sở dữ liệu trên internet. Đối tượng làm việc của SQL Server là các bảng gồm các hàng và cột.
Hệ quản trị cơ sở dữ liệu hiện nay gồm có Oracle, MySQL, SQL Server nhưng trong đó Oracle không phổ biến bằng 2 hệ còn lại. Ta sẽ phân tích về MySQL và SQL Server. Về cơ bản, MySQL và SQL Server đều tương tự nhau, có cùng chức năng mặc dù cách thức sử dụng có thể khác nhau. Tuy nhiên để sử dụng trên Windows và hoạt động với .NET Framework thì SQL là sự lựa chọn tốt hơn và được khuyên dùng hơn. Trong khi đó MySQL thì hoạt động tốt hơn trên Linux hoặc để lưu trữ dữ liệu trên các ứng dụng web. Vì ứng dụng lưu trữ thông tin khách hàng của đồ án ở quy mô nhỏ nên nhóm em quyết định chọn SQL Server. Để C# có thể thao tác được với SQL server thì cần phải có một công cụ trực quan để làm việc. Ở đây nhóm em sử dụng SQL Server 2014 Management Studio.
1.7.6 Khái niệm về HTLM và AWP.
a. HTML là gì?
HTML (Hyper Text Makeup Language) là ngôn ngữ lập trình web đơn giản. Ta có thể lập trình HTML thông qua các thẻ và nội dung dạng text. Mỗi thẻ bao quanh một đối tượng và thuộc tính của các đối tượng này có thể được quyết định bởi các thẻ. Ta có
thể sử dụng các chương trình soạn thảo văn bản bất kỳ như Word hoặc Notepad++ để tạo file html một cách rất đơn giản. Trong đồ án này, nhóm em sử dụng Notepad++ để lập trình HTML vì phần mềm này có thể phân chia bố cục rõ ràng cho các thành phần trong code do đó có thể giúp ta quản lý chương trình đang viết tốt hơn. File HTML sau khi lập trình xong được gọi là một trang web.
b. AWP là gì?
AWP (Automation Web Programming) là ngôn ngữ web do Siemens phát triển cho các dòng PLC được tích hợp tính năng Webserver. Nhờ AWP, ta có thể truy cập dữ liệu trên PLC một cách dễ dàng bởi vì PLC có thể biên dịch và hiểu được nó. Bản chất của AWP là các dòng ghi chú trong trang HTML. AWP bao gồm 3 tác vụ cơ bản là đọc giá trị từ PLC (Read), ghi giá trị xuống PLC (Write) và thay thế giá trị dạng số bằng dạng văn bản (Enum).
1.7.7 Các chuẩn truyền dữ liệu.
a. Chuẩn giao tiếp USB (Universal Serial Bus)
Là một chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính. Các thiết bị ngoại vi được kết nối với máy tính thông qua cổng USB. Trong đề tài này cụ thể là Arduino được kết nối với máy tính thông qua cáp USB. Sau khi kết nối để Arduino có thể làm việc được với máy tính thì ta cần cài các driver cho máy tính. Một trong những số đó là CH341SER, driver này có tác dụng là sẽ quét các cổng giao tiếp với máy tính, trong đó có Arduino. Đối với các máy tính cài đặt Windows 7 đôi khi sẽ gặp lỗi là khi cắm Arduino vào rồi nhưng máy tính không nhận kết nối. Khi đó thì CH314SER sẽ thực sự hữu ích.
Một trong những đặc trưng của cáp USB là nó có 2 sợi nguồn (+5V và dây chung GND). Với sợi nguồn này máy tính có thể cấp nguồn lên tới 500mA ở điện áp 5VDC. Việc này đồng nghĩa với việc khi cắm Arduino vào máy tính qua cáp USB thì ta đã cấp nguồn cho Arduino rồi và không cần một nguồn độc lập nào khác. Ngoài ra thì các thiết bị USB có đặc tính nóng, nghĩa là các thiết bị được cắm vào và rút ra trong mọi thời điểm tùy thích mà không cần phải khởi động lại hệ thống.
b. Chuẩn giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface)
Là một chuẩn truyền thông đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song công toàn phần (full-duplex), nghĩa là trong cùng một thời điểm có thể xảy ra đồng thời quá trình truyền và nhận, nhằm đảm bảo sự liên hợp giữa các vi điều khiển và thiết bị ngoại vi một cách đơn giản. Giao thức truyền thông này theo kiểu Master – Slave. Trong luận văn này thì chuẩn giao tiếp SPI được thể hiện qua kết nối giữa module RFID RC522 với vi điều khiển Arduino, trong đó Arduino đóng vai trò là master và module RFID RC522 đóng vai trò là Slave. SPI đôi khi được gọi là truyền thông “4 dây” vì có 4 đường giao
Đồ án tốt nghiệp - 10 -
tiếp trong chuẩn này, đó là SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Output Slave input) và SS (Slave Select). Trong đó:
• SCK hay SCLK: Xung đồng hồ có tác dụng giữ nhịp cho giao tiếp SPI. Xung này được tạo ra từ Arduino. Vai trò của nó là rất quan trọng vì nó giúp cho quá trình truyền ít bị lỗi và tốc độ truyền có thể đạt rất cao.
• MOSI hay SI: Cổng ra của bên Master, cổng vào của bên Slave. Chân này có tác dụng truyền dữ liệu từ Master đến Slave.
• MISO hay SO: Cổng vào của bên Master, cổng ra của bên Slave. Chân này có tác dụng truyền dữ liệu từ Slave đến Master.
• SS hay CS: Dùng để chọn Slave cần giao tiếp. Khi không hoạt động thì chân SS này ở mức cao. Nếu Master kéo chân SS của Slave nào xuống mức thấp thì Slave đó sẽ được giao tiếp với Master.
Về cách thức hoạt động thì cứ mỗi xung nhịp do Master tạo ra trên SCK thì một bit trong thanh ghi dữ liệu của Master được truyền qua Slave trên đường MOSI, đồng thời một bit trong thanh ghi của Slave được truyền qua Master trên đường MISO. Do quá trình gửi qua lại đồng thời nên nó được gọi là truyền dữ liệu “song công”.
c. Chuẩn giao tiếp Ethernet.
Ethernet là một công nghệ mạng cục bộ nhằm giao tiếp truyền thông tin giữa các máy tính. Trong luận văn này thì cáp Ethernet được dùng để kết nối giữa máy tính và PLC S7-1200 nhằm truyền nhận thông tin giữa hai thiết bị này. Ethernet sử dụng cáp xoắn đôi và các liên kết sợi quang học giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu hơn so với phiên bản trước đó của nó là sử dụng cáp đồng trục.
1.7.8 Giới thiệu một số phần mềm lập trình
a. Microsoft Visual Studio.
Đây là 1 môi trường phát triển tích hợp (IDE) từ Microsoft. Nó được sử dụng để phát triển chương trình máy tính cho Microsoft Windows, cũng như các trang web, các ứng dụng web và các dịch vụ web. Trong luận văn, Visual Studio được sử dụng để lập trình để giao tiếp giữa Arduino, máy tính và PLC. Có rất nhiều ngôn ngữ để cho bạn có thể lập trình trên môi trường này gồm có C, C++, C#, Visual Basic, Java và Python. Ngoài ra cũng có rất nhiều ứng dụng mà bạn có thể xây dựng ở đây như Windows Forms Designer, Web designer hoặc là Mapping designer. Microsoft cung cấp phiên bản “Express” đối với phiên bản Visual Studio từ 2013 trở về trước và “Community” đối với bản Visual Studio từ 2022 trở về sau. Đây là phiên bản miễn phí của Visual Studio và cũng là phiên bản được sử dụng trong luận văn này.
Hình 1. 7: Phần mềm Microsoft Visual Studio 2022.
b. SQL Server 2022 Management Studio.
Là một công cụ để ta có thể truy cập đến cơ sở dữ liệu SQL Server. Nó có một giao diện được thiết kế trực quan, dễ sử dụng. Nhờ đó ta có thể thêm, xóa hoặc sửa đổi các thông tin về mã thẻ, khách hàng, thời gian gửi xe và nhiều thông tin khác trong cơ sở dữ liệu. SQL Server 2022 Management Studio đã được tích hợp sẵn trình soạn thảo trực quan SQL, điều đó có nghĩa là ta có thể sử dụng ngôn ngữ SQL lập trình trực tiếp trên SQL Server 2022 Management Studio để thực hiện các thao tác như truy vấn dữ liệu, thêm, xóa dữ liệu hoặc sửa đổi các hàng, cột trong cơ sở dữ liệu của chúng ta.
Hình 1. 8: Phần mềm SQL Server 2022 Management Studio.
Đồ án tốt nghiệp - 12 -
Đây là phần mềm đã được tích hợp tất cả các phần mềm cấu hình, lập trình cho các hệ tự động hóa và truyền động điện như PLC, HMI, Inverter của Siemens. Trong phạm vi luận văn, TIA Portal được sử dụng để lập trình điều khiển PLC S7-1200 và thiết kế màn hình giao diện thu thập thông tin và giám sát hệ thống bãi giữ xe ô tô tự động. Phần mềm này có một ưu điểm rất lớn là đã tích hợp tất cả trong một giao diện tạo nên sự nhất quán trong quá trình làm việc. Tuy nhiên nó cũng có một nhược điểm là vì tích hợp nhiều thứ nên dẫn đến dung lượng phần mềm lớn, yêu cầu cấu hình máy phải cao.
Hình 1. 9: Phần mềm TIA Portal V17.
d. Arduino IDE
Đây là một phần mềm được dùng để lập trình cho vi điều khiển Arduino được viết bằng Java mà ta có thể dễ dàng biên dịch (compile) và gửi chương trình (upload) lên board mạch Arduino chỉ bằng 1 cú nhấp chuột. Một chương trình được viết cho Arduino được gọi là một sketch. Ta có thể viết chương trình cho Arduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++. Khi lập trình thì ta cần lưu ý đến 2 hàm để tạo ra một chương trình hoàn chỉnh có thể chạy được. Đó là:
• setup(): Hàm này để thiết lập các cài đặt, chỉ chạy mỗi khi khởi động một chương trình
• loop(): Hàm này được lặp đi lặp lại cho đến khi tắt nguồn board mạch. Nó giống như while (true) trong C/C++ hoặc giống như khối hàm OB1 trong PLC Siemens vậy.
Ưu điểm của Arduino là một nền tảng mã nguồn mở. Nó có một cộng đồng rất lớn trên thế giới nên sự hỗ trợ từ cộng đồng Arduino là cực kỳ hữu ích. Ở Việt Nam cũng có một cộng đồng Arduino rất lớn đó là arduino.vn.
