Thiết kế hệ thống tương tác giữa người và xe từ xa thông qua smartphone

Nội dung text: Thiết kế hệ thống tương tác giữa người và xe từ xa thông qua smartphone

1. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƢƠNG TÁC GIỮA NGƢỜI VÀ XE TỪ XA THÔNG QUA SMARTPHONE RESEARCH ON THE INTERACTION BETWEEN PEOPLE AND VEHICLES THROUGH SMARTPHONE TS. Nguyễn Bá Hải, Học Viên: Trần Quốc Hoan Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh bahai@hcmute.edu.vn, qhoancko@gmail.com Tóm tắt: Bài báo này đề xuất phương pháp sử dụng smartphone làm thiết bị trung gian cho tương tác giữa người và xe. Nghiên cứu trình bày phương pháp sử dụng smartphone điều khiển các thiết bị trên ô tô từ xa sử dụng công nghệ internet di động 3G. Nghiên cứu đã được thử nghiệm thực tế và cho kết quả tốt trong các chức năngđiều khiển được lập trình như khoá, mở khoá, tìm xe, định vị vị trí hiện tại của xe, và tắt động cơ khẩn cấp trong trường hợp bị mất cắp. Từ khoá: Smartphone,LabVIEW, Phonegap, Hocdelam USB 9090, tương tác, điều khiển từ xa, VPN, TCP/IP. Abstract:This paper proposes the methods of using smartphone as mediate devices for interactions between driver and car. Research present the method of using smartphone to control devices on a remote cars by using the third generation of mobile telecommunications technology - 3G. Research has been tested and given good results in the control functions to be programmed as lock, unlock, find the car, locate the current position of the car, and turn off the engine immediately in the case of being stolen. Keywords: smartphone, LabVIEW, Phonegap, Hocdelam USB 9090, Interaction, remote control, VPN, TCP/IP. 1. Giới thiệu và chạy các ứng dụng. Các ứng dụng điện thoại thông minh Gần đây sự tiến bộ của công nghệ đã mở đường cho một có thể được phát triển bởi các nhà sản xuất thiết bị cầm tay, kỷ nguyên mới của kết nối. Dòng xe hiện đại ngày càng được bởi các nhà điều hành mạng, hay bất kỳ nhà phát triển phần kết nối với hệ thống máy tính một cách phổ biến,dùng để hỗ mềm thứ ba khác. Hệ điều hành cho smartphonePhổ biến trợthu thập thông tin của xe và có thể kết nối Internet. Các nhất hiện nay là hệ điều hành iOS (Apple), Android nhà sản xuất xe đã triển khai nhiều công nghệ hỗ trợ khác (Google), BlackBerry OS (RIM), Windows Mobile nhau cho các lái xe như chống trộm và thông tin giải trí đa (Microsoft), và S60 (Symbian). chức năng. Họ cũng đang phát triển cách để tương tác giữa Bên cạnh đó, các smartphone ngày nay có cấu hình tốc độ thiết bị di động với các phương tiện và cung cấp các chức xử lý mạnh, bộ nhớ lớn, có đầy đủ các chuẩn giao tiếp không năng giúp khách hàng có thể khóa/mở khóa xe và theo dõi dây như NFC, Bluetooth, wifi . Và có thể truy cập chiếc xe trong trường hợp bị mất cắp. Internet ở tốc độ cao nhờ vào khả năng kết nối internet di Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một kiến trúc hệ động có băng thông rộng tốc độ cao như 3G và 4G hay khả thống cho phép người dùng tương tác với các hệ thống nhúng năng kết nối không dây Wi-Fi. nằm trong xe của họ bằng cách sử dụng một điện thoại thông Từ những thế mạnh về công nghệ được tích hợp trên minh. Với các tính năng kết nối và điều khiển từ xa thông qua smartphone, trong tương lai nó sẽ là những thiết bị có khả mạng không dây wifi và mobile internet 3G tới các hệ thống năng lớn nhất để phát triểntheo hướng tương tác từ xa để mọi trên xe để thực hiện các chức năng như khóa/mở khóa xe từ người tương tác với các thiết bị khác nhau trong môi trường xa, kiểm soát mức nhiên liệu, tìm xe trong một bãi xe đông xung quanh của họ mọi lúc mọi nơi. [3] đúc và có thể theo dõi chiếc xe trong trường hợp bị mất cắp. 2.3. Các mô hình tƣơng tác giữa ngƣời và xe thông qua 2. Smartphone và khả năng ứng dụng trong tƣơng tác smart-phone giữa ngƣời và xe Một smartphone có thể được sử dụng để tương tác 2.1. Khái niệm smartphone với các thiết bị xung quanh theo những cách khác nhau. Về Smartphone là để chỉ chiếc điện thoại tích hợp một nền cơ bản có hai mô hình tương tác chính giữa smartphone và tảng hệ điều hành di động với nhiều tính năng hỗ trợ tiên tiến thiết bị xung quanh là: mô hình tương tác sử dụng cáp dẫn và về điện toán và kết nối dựa trên nền tảng cơ bản của một điện mô hình tương tác ứng dụng công nghệ không dây.Với các thoại thông thường. Hay nói cách khác smartphone về cơ bản mô hình này, một điện thoại thông minh có thể được sử dụng có thể xem là sự kết hợp giữa thiết bị hỗ trợ cá nhân kỹ thuật để thực hiện các ứng dụng từ đơn giản như điều khiển từ xa số và điện thoại thông thường. [2] các thiết bị gia dụng hoặc các ứng dụng phứ tạp như giám sát và chia sẻ thông tin dữ liệu với các hệ thống trên xe [4] 2.2. Khả năng ứng dụngsmartphone trong tƣơng tác giữa Mô hình tƣơng tác giữa smartphone với các thiết bị ngƣời và xe xung quanh sử dụng công nghệ cáp dẫn. Không giống như điện thoại truyền thống, smartphone Với mô hình này smartphone và thiết bị khác được kết nối hoạt động dựa trên nền tảng một hệ điều hành, nền tảng với nhau qua các chuẩn truyền tín hiệu RS232, USB, . này cho phép smartphone có thể được lập trình, cài đặt Thông qua kết nối này cho phép smartphone và thiết bị có thể 1
2. chia sẻ thông tin và thực hiện các lệnh điều khiển từ smartphone tới thiết bị. Ưu điểm của mô hình tương tác này là tốc độ truyền dữ liệu giữa smartphone và thiết bị rất cao và khả năng bảo mật tốt.Tuy nhiên giữa smartphone và thiết bị phải luôn kết nối với nhau bằng cáp truyền dẫn do đó mất đi khả năng linh hoạt của smartphone. Mô hình tƣơng tác giữa smartphone với các thiết bị xung quang sử dụng công nghệ không dây. Với mô hình này smartphone được kết nối với thiết bị thông qua các công nghệ kết nối không dây NFC, Bluetooth, Wifi, hay cũng có thể sử dụng công nghệ internet di động 3G,4G để kết nối tới các thiết bị có khả năng kết nối internet. Ưu điểm của mô hình tương tác này là smartphone và thiết bị có thể kết nối với nhau ở khoảng cách xa mọi lúc mọi nơi. Tuy nhiên tốc độ truyền nhận dữ liệu thấp và khả năng bảo mật không cao. Tuy nhiên đây chỉ là khó khăn tạm thời vì công nghệ internet di động ngày càng phát triển nên tốc độ truyền nhận dữ liệu sẽ ngày càng được cải thiện. Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển từ xa qua mạng 3G 3. Thiết kế hệ thống tƣơng tác từ xa tới xe thông qua smartphone 3.1.1. Sơ đồ truyền nhận dữ liệu giữa smartphone và xe 3.1. Cấu trúc hệ thống Hệ thống bao gồm một hệ thống nhúng được gắn trên xe, một USB kết nối 3G, một điện thoại smartphone. Một máyserver có vai trò trung gian giữa smartphone và hệ thống máy tính trên xe. Thông qua máyserver này smartphone và máy tính trên xe có khả năng kết nối và truyền nhận dữ liệu với nhau liên tục ở mọi lúc mọi nơi. Phương thức hoạt động của hệ thống: Máy tínhtrên xe được lập trình để thu thập các dữ liệu mong muốn, sau đó được mặc định sẽ các truyền dữ liệu này lên máy sever. Từ các dữ liệu thu được từ máy tính trên xe, máy server có nhiệm vụ đưa dữ liệu lên một web server. Từ webserver này smartphone có thể truy cập lấy dữ liệu để xử lý,hay có thể truyền các lệnh điều khiển ngược lại lên web serverthông qua kết nối internet. Sau đó máy server đọc các dữ liệu trên web server rồi truyền về máy tính trên xe. Lúc này máy tính trên xe có nhiệm vụ nhận các lệnh này để thực hiện các chức năng điều khiển mong muốn. Hình 3.2: Sơ đồ truyền nhận dữ liệu giữa smartphone và xe. 2
3. 3.1.2. Sơ đồ truyền nhận tín hiệu giữa máy server và máy chức năng chính là nhận dữ liệu từ smartphone ghi xuống file client trên xe XML, và chức năng thứ hai là đọc file XML sau đó gửi dữ liệu về smartphone. 3.2.1. Xây dựng webserver Web server sử dụng giao thức HTTP để truyền nhận dữ liệu giữa smartphone và máy server với có hai nhiệm vụ chính là: - Nhận dữ liệu từ smartphone ghi xuống file XML: Dữ liệu được smartphone gửi lên server theo phương thức POST của giao thức HTTP. Server nhận dữ liệu và ghi vào đối tượng Xml1Dto và lưu dữ liệu vào đối tượng. Sau đó tạo một process cho việc lưu đối tượng Xml1Dtoxuống file XML. - Đọc file XML, gửi dữ liệu về smartphone: Smartphone gửi yêu cầu lấy dữ liệu theo phương thức GET của giao thức HTTP. Ngay lập tức server tạo một process cho việc đọc dữ liệu file XML đã được lưu ở server. Process sẽ đọc file XML và lưu dữ liệu đọc được vào Xml2Dto. Smartphone ghi và đọc dữ liệu lên webserver bằng hai phương thức là POST và Get trong giao thức HTTP. 3.2.2. Lập trình trên smartphone Hình 3.3: Sơ đồ truyền nhận dữ liệu từ server đến xe. Để lập trình trên smartphone ta sử dụng nền tảng mã nguồn mở Phonegap, các ngôn ngữ lập trình như JavaScript, HTML5, CSS3. Công cụ lập trình Eclipse và Android SDK. 3.2. Phƣơng thức kết nối giữa smartphone và server Trước khi xây dựng một ứng dụng trên smartphone việc - CSS3 có chức năng thiết kết giao diện hiển thị là các nút đầu tiên là phải xây dựng được một cơ sở dữ liệu. Để bấm. smartphone có thể tương tác được với xe thông qua ứng dụng - HTML5 có chức năng tạo cơ sở dữ liệu. thì giữa xe và smartphone phải có một cơ sở dữ liệu chung. - JavaScript dùng để lập trình các chức năng trên ứng dụng.[4][5] Từ trên cơ sở dữ liệu đó thông qua lập trình phần mềm LabVIEW trên máy server sẽ xử lý thành các lệnh điều khiển Sau khi lập trình xong ta được một ứng dụng điều khiển truyền xuống máy tính đặt trên xe. với các chức năng đơn giản chạy trên hệ điều hành Android Để tạo cơ sở dữ liệu chung giữa máy server và như hình dưới. smartphone ta cần phải xác định những kiểu cơ sở dữ liệu nào phần mềm LabVIEW có thể đọc và ghi những dữ liệu từ xe gửi lên vào cơ sở dữ liệu chung này. Trong LabVIEW hỗ trợ rất nhiều các kiểu cơ sở dữ liệu, trong phần này tác giả chọn kiểu cơ sở dữ liệu kiểu XML. XML (viết tắt từ tiếng Anh eXtensible Markup Language, "Ngôn ngữ Đánh dấu Mở rộng") là ngôn ngữ đánh dấu với mục đích chung do W3C (World Wide Web Consortium) đề nghị, để tạo ra các ngôn ngữ đánh dấu khác. Đây là một tập con đơn giản của SGML, có khả năng mô tả nhiều loại dữ liệu khác nhau. Mục đích chính của XML là đơn giản hóa việc chia sẻ dữ liệu giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt là các hệ thống được kết nối với Internet. Hay nói cách khác vai trò của XML là làm dữ liệu trung gian để các server giao tiếp Hình 3.4: Giao diện ứng dụng trên smartphone với nhau. Từ cơ sở dữ liệu XML này xây dựng một web server với các chức năng đơn giản là nhận và ghi dữ liệu từ 3.3. Phƣơng thức kết nối giữa máy server và xe smartphone và máy server. Để smartphone có thể truy cập và điều khiển các hệ thống Chức năng của web server này được xây dựng với hai trên xe từ xa mọi lúc mọi nơi thì yêu cầu đặt ra là cả 3
4. smartphone và xe đều phải có kết nối internet. Nhưng vấn đề gồm lock, unlock, tìm xe, dừng động cơ khẩn cấp. Dữ liệu đặt ra là xe có tính di động rất cao nên không phải lúc nào trên file XML1 bao gồm các cột dữ liệu với các giá trị là 0 cũng có thể kết nối internet bằng một đường truyền cố định. hoặc 1. Máy server sẽ đọc các giá trị trong cột này, với giá trị Do đó muốn chiếc xe có một kết nối internet ta có một giải bằng 0 tương ứng với không có tín hiệu điều khiển, và bằng 1 pháp là sử dụng mạng internet di động 3G. tương ứng với có điều khiển từ smartphone. Đặc điểm của Internet di động 3G là kết nối IP động do 3.3.3. Xử lý dữ liệu trên máy client gắn trên xe đó rất khó để cho máy server và máy tính trên xe có thể kết Chức năng của máy tính gắn trên xe dùng để thu thập các nối và truyền nhận dữ liệu cho nhau. Để giải quyết vấn đề thông tin như định vị GPS, thu thập mức nhiên liệu hiện tại này có một giải pháp là cả hai sẽ kết nối với nhau thông qua của xe gửi lên máy server. Truyền nhận dữ liệu với máy một mạng riêng ảo VPN. Về cơ bản lúc này VPN giống như server và thực thi các lệnh điều khiển từ máy server gửi một ngôi nhà chung để smartphone và xe có thể đến để xuống. truyền nhận dữ liệu với nhau. Cả hai sẽ cùng truy cập lên một Sau khi máy server đọc cơ sở dữ liệu từ file XML1 sẽ server trung gian thông qua kết nối VPN. Server này có chuyển các giá trị đọc được này tới máy client thông qua giao nhiệm vụ nhận thông tin điều khiển từ smartphone sau đó gửi thức TCP/IP. về cho xe để thực hiện các lệnh của người sử dụng, và nhận các thông tin từ xe để chuyển lên hiển thị trên smartphone. Chức năng Dừng động cơ Lock Unlock Tìm xe khẩn cấp 3.3.1. Thiết lập mạng riêg ảo VPN Giá trị VPN (Virtual Private Network) là một mạng riêng sử Điều khiển 1 1 1 1 dụng hệ thống mạng công cộng (thường là Internet) để kết Không điều 0 0 0 0 nối các địa điểm hoặc người sử dụng từ xa với một mạng khiển LAN ở trụ sở trung tâm. Thay vì dùng kết nối thật khá phức Bảng 3.1: Bảng giá trị tương ứng với chức năng điểu tạp như đường dây thuê bao số, VPN tạo ra các liên kết ảo khiển đọc được trên file XML1 được truyền qua Internet giữa mạng riêng của một tổ chức Trên máy client sau khi nhận được các dữ liệu này sẽ thực với địa điểm hoặc người sử dụng ở xa.[6] hiện các phép so sánh với giá trị bằng 1 để chuyển giá trị gửi Để thiếp lập một mạng riêng ảo theo kiểu Remote Access về thành tín hiệu điều khiển True, False. VPN chúng ta cầm một máy tính làm server và một máy tính Từ các giá trị True, False này sẽ được đưa đến thư viện là máy client. Trên máy server ta cần phải thiết lập kết nối card HDL 9090 thực hiện các chức năng điều khiển. Incomming và trên máy client gắn trên xe ta phải thiết lập kết nối Outgoing. Lúc này giữa máy server và máy client đã có một kết nối chung thông qua mạng riêng ảo VPN. 3.3.2. Xử lý dữ liệu trên máy server Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phần mềm lập trình LabVIEW để thực hiện tạo một kết nối TCP/IP giữa hai máy server và máy client trên xe. Trên máy server được lập trình với hai nhiệm vụ là: - Sau khi nhận tín hiệu từ máy client trên xe gửi lên sẽ ghi ra một file có định dạng XML. Từ file XML này Hình 3.5:Đoạn code thu thập và nhận tín hiệu điều khiển các sẽ được đưa lên web server để smartphone có thể lấy chức năng thông qua card giao tiếp LabVIEW với máy tính dữ liệu và hiển thị trên giao diện. HDL 9090 - Cập nhật dữ liệu từ webserver bằng cách đọc cơ sở 3.3.4. Thực hiện thu thập tín hiệu GPS trên máy client dữ liệu XML. Để thực hiện thu thập tín hiệu GPS ở đây tác giả sử dụng Ở đây tác giả sử dụng hai file XML bao gồm một file thiết bị thu nhận GPS modules NEO-6M. Dữ liệu sau khi thu XML2 ghi dữ liệu từ xe gửi lên và một file XML1 đọc các dữ nhận được thể hiện dưới dạng các bản tin được định dạng liệu mà điện thoại ghi thông tin dùng điều khiển các chức chuẩn NMEA-183 trên toàn thế giới với các khung bản tin năng trên xe. theo vi xử lí chuẩn. Ví dụ modul GPS sẽ trả về bản tin như Cơ sở dữ liệu trên file XML2 bao gồm các dữ liệu thu sau:$GPRMC, 161229.487, A, 3723.2475, N, 12158.3416, thập từ GPS là kinh độ, vĩ độ ứng dụng cho việc định vị xe từ W, 0.13, 309.62, 120598,*10 xa, dữ liệu thu thập mức nhiên liệu hiện tại trên xe, và các dữ Sau đây là diễn giải của bản tin: liệu phản hồi từ xe sau khi đã thực hiện xong các lệnh điều khiển từ điện thoại. Cơ sở dữ liệu trên XML1 là cơ sở dữ liệu dùng cho điện thoại ghi các thông tin dùng để điều khiến các chức năng bao 4
5. Đường truyền kết nối từ máy tính trên xe tới smartphone ổn định (do thực hiện trên mô hình nên chưa kiểm tra được kết nối internet khi gắn trên xe thực). Các chức năng của hệ thống điều hoạt động ổn định theo đúng yêu cầu đặt ra ban đầu. Khi thực hiện các lệnh như khóa cửa, tìm vị trí xe, dừng động cơ khẩn cấp trên giao diện của ứng dụng fastMobileAndroid thì các bộ chấp hành trên xe điều hoạt động với độ trễ nằm trong yêu cầu từ 0.2 đến 3 giây. Với độ trễ trung bình của hệ thống được tính bằng công thức: Sau khi thực nghiệm các chức năng điều khiển, bằng cách đo giá trị độ trễ của mỗi chức năng 15 lần ta thu được bảng tổng kết sau: Bảng 3.2: Diễn giải bản tin GPS thu được Từ bảng diễn giải này ta thực hiện thao tác tách các ký tự trong bản tin bằng phương pháp tách các ký tự sau dấu “,”. Như vậy ta có thể tách được chính xác giá trị kinh độ và vĩ độ trong bản tin GPS nhận được. 3.3.5. Thu thập mức nhiên liệu hiện tại trên xe Trong phần này tác giả thực hiện thu thập mức nhiên liệu hiện tại của xe bằng phần mềm LabVIEW và card giao tiếp LabVIEW với máy tính HDL 9090. Để thu thập được mức nhiên liệu hiện tại của xe ta cần phải biết được đường đặc tuyến mức nhiên liệu theo giá trị điện áp. Bằng cách thu thập điện áp qua cổng ADC1 của card HDL USB 9090 ta đưa vào Fomular chứa phương trình đặc tuyến, kết quả ra ta sẽ được % mức nhiên liệu. 4. Kết quả thực nghiệm hệ thống 4.1. Những yêu cầu đặt ra đối với hệ thống Không làm thay đổi mạch điện của các hệ thống trên xe. Ứng dụng lập trình trên smartphone phải chạy được, có khả năng điều khiển được các hệ thống trên xe. Thời gian điều khiển và khả năng cập nhật dữ liệu nhanh, độ trễ cho phép khoảng 3 đến 5 giây. Máy tính đặt trên xe phải thu thập dữ liệu chính xác về định vị và mức nhiên liệu hiện tại. Bảng 4.1: Bảng kết quả độ trễ trung bình đo được với các Tìm ra được những ưu nhược điểm của hệ thống. chức năng điều khiển 4.2. Kết quả thực nghiệm Điện thoại smartphone đãthựchiệnđược việc thu nhận và 5. Kết luận truyền tín hiệu điều khiển tới máy tính đặt trên xe thông qua Từ bảng kết quả đo trên ta thấy độ trễ của các chức năng máy server. đều nằm trong giới hạn mục tiêu thực nghiệm. Vì độ trễ này Ứng dụng chạy trên hệ điều hành nhanh, và ổn định. Thực một phần là do tốc độ truyền dữ liệu giữa máy tính trên xe và hiện được đầy đủ các chức năng mong muốn, hiển thị được vị máy server, một phần do việc đặt giá trị vòng lặp truyền nhận trí hiện tại và thể hiện rõ trên bản đồ. được lập trình trên phần mềm LabVIEW, một phần do tốc độ Tốc độ xử lý các lệnh truyền và nhận thông tin từ server kết nối internet của smartphone. tới smartphone ổn định. Qua quá trình thực nghiệm tác giả nhận thấy sự tương tác giữa người và xe thông qua smartphone ứng dụng công nghệ internet di động có một ưu điểm rất lớn là không phụ thuộc 5
6. vào khoảng cách giữa người và xe hay nói cách khác là không phụ thuộc vào khoảng cách truyền giữa smartphone và xe. Mà chỉ bị ảnh hưởng rất lớn từ tốc độ truyền tải dữ liệu từ xe lên server và giữa smartphone với server. 6.Tài liệu tham khảo [1]. TS.Nguyễn Bá Hải. “Lập trình LabVIEW trình độ cơ bản”, NXB Đại học quốc gia TP.HCM . [2]. Nguồn Wikipedia [3]. Liviu Iftode, Cristian Borcea, Nishkam Ravi, Porlin Kang, and Peng Zhou, “Smart Phone: An Embedded System for Universal Interactions”, Department of Computer Science, Rutgers University, Piscataway, NJ 08854, USA. [4] eBook “PhoneGap Essentials” – John M.Wargo [5] eBook “Beginning Phonegap” – Thomas Myer 6
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.