Ứng dụng CAN, 3G, OBD-II để thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và chẩn đoán động cơ từ xa qua mạng 3G

Nội dung text: Ứng dụng CAN, 3G, OBD-II để thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và chẩn đoán động cơ từ xa qua mạng 3G

1. ỨNG DỤNG CAN, 3G, OBD-II ĐỂ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ CHẨN ĐOÁN ĐỘNG CƠ TỪ XA QUA MẠNG 3G Phạm công sơn TÓM TẮT Hệ thống OBD-II được trang bị trên xe nhằm theo dõi tình trạng hoạt động của xe và giám sát mức độ ô nhiễm của động cơ. Đề tài thu thập dữ liệu thí nghiệm động cơ từ xanghiên cứu các ứng dụng của CAN, 3G, OBD-II để thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và chẩn đoán động cơ từ xa qua mạng 3G. Hệ thống này giúp Kỹ thuật viên, người lái xe theo dõi được tình trạng hoạt động của động cơ từ xa ở mọi thời điểm bằng mạng 3G. Để làm được điều này dữ liệu của các cảm biến và mã lỗi chẩn đoán sẽ được gửi tới máy chủ và từ máy chủ gửi tới kỹ thuật viên thông qua mạng 3G. Với thời gian trễ trung bình khoảng 1000ms, từ xe cho tới kỹ thuật viên. Điều này thuận lợi cho việc theo dõi tình trạng hoạt động của động cơ và mức ô nhiễm của động cơ. ABSTRACT System OBD-II is equipped in the car in order to track state of activities and check the level of pollution of vehicle. The thesis collected experimental data of remote engine for the applications of CAN, 3G, OBD-II to create the system of collecting data and diagnose the remote vehicle through 3G network. This system helps technicians and drivers track the working state of remote engine at any time with the network 3G. The data of sensors and fault codes of self diagnosis will be sent to host computer and from server sent to the technicians through the network 3G within the delay time of average about 1000ms from the car to the technician. It is convenient to track the state of operation and level of pollution of the engine. Key words: On-Board Diagnostics (OBD), Third-Generation (3G), Controller Area Network (CAN).
2. 1 GIỚI THIỆU SERVER Trong tình hình hiện nay, với trọng tâm là đổi mới giáo dục đại học, nhiều trường TCP/IP Open VPN Đại học, Cao đẳng đang bắt đầu cải tiến cải tiến các trang thiết bị phòng thí nghiệm với TCP/IP Open VPN mục tiêu là tăng cơ hội tiếp cận của sinh UART viên với các vấn đề thực tiễn. Trong quá trình học tập nghiên cứu được thực hiện tại các phòng thí nghiệm, với các thiết bị thí SUPPORTER nghiệm cũ lạc hậu thì không đáp ứng đủ yêu cầu của người học, nếu trang bị đồng bộ, hiện đại thì chi phí quá cao. CAN Bên cạnh đó, làm thí nghiệm để nghiên cứu CỔNG OBD-2 CỦA XE hoàn thiện động cơ đốt trong nhằm làm tăng công suất, tiết kiệm nhiên liệu đạt hiệu quả Hinh 1: Hệ thống thu thập dữ liệu động cơ kinh tế, kỹ thuật, giảm thiểu ô nhiễm môi từ xa trường đã trở thành mục tiêu hàng đầu của 2 TỔNG QUANG VỀ HỆ THỐNG các hãng sản xuất ô tô hiện nay trên thế 2.1 On-Board Diagnostics giới. Do đó nghiên cứu hoàn thiện động cơ Năm 1955, tại Hoa Kỳ, Hiệp hội Bảo vệ giúp người học nắm vững các vần đề về Môi trường không khí liên bang được ra thực nghiệm chuyên ngành của mình, từ đó đời, cung cấp những nghiên cứu, hỗ trợ đưa ra nhận xét, giải pháp để cải thiện động công nghệ để tìm hiểu sâu hơn về nguyên cơ được nghiên cứu. nhân và ảnh hưởng của nguồn không khí ô Cùng với sự bùng nổ về khoa học công nhiễm. nghệ, ô tô ngày hôm nay tích hợp rất nhiều Ban tài nguyên không khí California - hệ thống điều khiển bằng điện tử nhằm CARB (California Air Resources Board) mang lại cho người sử dụng sự thoải mái và cùng với Luật không khí liên bang ra đời tiện dụng, bên cạnh đó việc chẩn đoán năm 1967. Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ- nhằm phát hiện hư hỏng rất phức tạp tốn EPA (Environmental Protection Agency) ra kém nhiều thời gian và chi phí cao. đời vào tháng 9 năm 1970 với sự bô sung và Đề tài “Thu thập dữ liệu thí nghiệm động cơ điều chỉnh bộ Luật không khí liên bang và từ xa” Tốc độ xe, nhiệt độ động cơ, mã lỗi nhiều các quy định khác của Hội kỹ sư ô tô chẩn đoán để thí nghiệm, theo dõi tình trạng Mỹ - SAE (Society of Automotive hoạt động của động cơ từ xa thông qua Engineers) ra đời năm 1988 nhăm hạn chê mạng 3G. Để thực hiện bằng hệ thống tích lượng khí thải ô tô ra môi trường. hợp gôm có CAN, OBD-2, 3Gvà hệ thống Năm 1975, hệ thống On-board Computers được xây dựng như Hình 1. Datsun 280Z xuất hiện trên nhiều mẫu xe, chủ yếu là để điều chỉnh thời gian phun trong hệ thống phun nhiên liệu. Hệ thống OBD đơn giản đã xuât hiện mặc dù không có tiêu chuẩn rõ ràng về việc nó sẽ giám sát như thế nào hay báo cáo tình trạng hệ thống ra sao. Năm 1980, GM thực hiện một giao diện và giao thức độc quyền để thử nghiệm ECU
3. (Electronic Control Module). Giao thức chuẩn ISO 15765-4 (một phiên bản của ASSEMBLY LINE (ALDL) kết nối ở tốc mạng CAN).[1] độ 160 baud với tín hiệu có bề rộng xung 2.2Third-Generation (3G) thay đổi (PWM-Pulse-Width Modulation) Mạng 3G (Third-generation technology) là được sử dụng trên một vài mầu xe năm thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện 1980 tại bang California và được áp dụng thoại di động, cho phép truyền cả dữ liệu trên toàn lãnh thổ nước Mỳ năm 1981. Bằng thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi cách kết nối hai chân theo qui định của nhà email, tin nhắn nhanh, hình ảnh ). 3G cung sản xuât. Khi bật chìa khóa và động cơ cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và không hoạt động, đèn Check Engine sẽ chuyển mạch kênh.Hệ thống 3G yêu cầu nhấp nháy với 2 chữ số tương ứng với một một mạng truy cập radio hoàn toàn khác so mã lỗi cụ thể. với hệ thống 2G hiện nay. Điểm mạnh của Năm 1986, một phiên bản cải tiến của công nghệ này so với công nghệ 2G và giao thức ALDL ra đời có tốc độ 8192 baud 2.5G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, với đường truyên tín hiệu UART. Giao thức âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả này được quy định trong tiêu chuân GM- thuê bao cố định và thuê bao đang di XDE-5024B. Năm 1988, SAE ra đời và đưa chuyển ở các tốc độ khác nhau. Với công ra những tiêu chuẩn về giắc nối và tín hiệu nghệ 3G, các nhà cung cấp có thể mang đến chẩn đoán. Năm 1991, CARB với tất cả các cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện, xe được bán trên lãnh thổ bang California từ như âm nhạc chất lượng cao, hình ảnh video năm 1991 về sau phải được trang bị những chất lượng và truyền hình số, Các dịch vụ chức năng cơ bản của OBD. Đây được coi định vị toàn cầu (GPS), E-mail;video là hệ thống OBD-1 mặc dù tên này không streaming, High-ends games vơi tốc độ được sử dụng cho đến khi OBD-2 ra đời. download khoảng 14 Mbps[2] Hệ thống này chưa có những quy định và 2.3 Controller Area Network tiêu chuân về hình dạng giắc chẩn đoán, vị CAN cung cấp kiểu truyền thông dữ liệu trí của giắc trên xe hay giao thức kết nối giửa các hộp ECUcác thiết bị điện tử trong được sử dụng. Đầu năm 1994, được thúc xevới độ ổn định, bảo mật và đặc biệt chống đẩy bởi chương trình thừ nghiệm khí thải nhiễu cực kỳ tốt mà không cần máy chủ. trên toàn quốc, CARB đã cho ra đời hệ Mạng CAN được tạo thành bởi một nhóm thống OBD-2 với nhiều chức năng và đặc các nodes.Mỗi node có thể giao tiếp với bất điểm kỹ thuật mới, áp dụng trên tất cả xe kỳ nodes nào khác trong mạng.Việc giao sản xuất từ năm 1996 được bán ở tiếp được thực hiện bằng việc truyền đi và California. Các tiêu chuẩn của SAE về mà nhận các gói dữ liệu - gọi là message. Mỗi lỗi và giắc chẩn đoán đã được tích hợp vào loại message trong mạng CAN được gán hệ thống này. cho một ID - số định danh - tùy theo mức Năm 1996 OBD-2 được yêu cầu phải trang độ ưu tiên của message đó. bị trên tất cả các xe được bán trên phạm vi Mỗi node có thể nhận nhiều loại message nước Mỹ. Năm 2001, Liên minh châu Âu khác nhau, ngược lại một message có thể (EU) cho ra đời tiêu chuẩn EOBD áp dụng được nhận bởi nhiều node và công việc cho tất cả xe động cơ xăng được bán trên thị được thực hiện một cách đồng bộ trong hệ trường châu Âu. Năm 2008, tất cả xe được thống phân bố. bán trên thị trường nước Mỹ được yêu cầu Ngày náy CAN được sữ dụng rộng rải trong phải sử dụng giao thức chẩn đoán theo tiêu nghành công nghiệp ôtô, ISO 15765-2 là một tiêu chuẩn quốc tế truyền dữ liệu qua
4. mạng CAN. Giao thức này cho phép truyền web, và không tương thích với IPsec hay được dữ liệu 8 byte (mỗi khung truyền của các gói VPN khác. Toàn bộ phần mềm gồm CAN chỉ truyền được tối đa 8 byte).Lượng có một file nhị phân cho cả các kết nối dữ liệu tối đa có thể truyền đi trong một lần client và server, một file cấu hình không bắt là 4095 byte. buộc, và một hoặc nhiều file khóa tùy theo ISO 15765-2 định nghĩa 4 loại khung truyền phương thức xác thực được sử dụng.[4] như sau: 3. Mô hình và kiểm nghiệm + Single Fram (SF): Được sử dụng khi chỉ 3.1 Mô hình cần truyền số lượng dữ liệu nhỏ hơn 8 byte (0-7 byte). + First Frame (FF): Khung truyền đầu tiên trong quá trình truyền khi dữ liệu từ 8 byte trở lên. + Flow Control Frame (FCF): Khung truyền dùng để trả lời rằng đã nhận được First Frame. + Consecutive Frame (CF): Các khung truyền chứa dữ liệu sau khung First Frame.[3] Hình 2: Mô hình thực tế cụm thu thập dữ 2.4 Open VPN liệu trên xe VPN là một mạng riêng sử dụng hệ thống Hệ thống chẩn đoán động cơ từ xa qua mạng công cộng (thường là Internet) để kết mạng 3Gbao gồm các hệ thống máy chủ, xe nối các địa điểm hoặc người sử dụng từ xa trang bi chuẩn OBD-2, CAN ISO 15765-2, với một mạng LAN ở trụ sở trung tâm. Board TS-STM32F107VCT6 máy tính Thay vì dùng kết nối thật khá phức nhúng BeagleBone Black được mô tả dưới tạp như đường dây thuê bao số, VPN tạo ra Hình 1 Hệ thống chẩn đoán động cơ từ xa các liên kết ảo được truyền qua Internet qua mạng 3G hoạt động như sau: giữa mạng riêng của một tổ chức với địa - Board TS-STM32F107VCT6: điểm hoặc người sử dụng ở xa. Nhiệm vụ của Board TS-STM32F107VCT6 OpenVPN là một phần mềm mạng riêng ảo là nhận các yêu cầu từBBB (BeagleBone mã nguồn mở dành cho việc tạo các đường Black) thông qua chuẩn giao tiếp UART và ống (tunnel) point-tôpint được mã hóa giữa trả về kết quả nếu có. các máy chủ. Phần mềm này do James Yêu cầu từ Yonan viết và được phổ biến dưới giấy Kết quả trả về phép GNU GPL. BBB Trả về giá trị nhiệt độ nước OpenVPN cho phép các máy đồng đẳng xác Lấy giá trị làm mát động cơ, tốc độ thực lẫn nhau bằng một khóa bí mật được cảm biến chia sẻ từ trước, chứng chỉ mã công khai động cơ, tốc độ xe. (public key certificate), hoặc tên người Lấy DTC Trả về tất cả mã lỗi dùng/mật khẩu, LDAP, RADIUS. Phần Không trả về gì cả, chỉ xoá mềm này được cung cấp kèm theo các hệ Xoá DTC mã lỗi. điều hành Solaris, Linux, OpenBSD, FreeBSD, NetBSD, Mac OS, vàWindows. - BeagleBone Black: BBB Nó có nhiều tính năng bảo mật và kiểm (BeagleBone Black) hoặc động sẽ tự động soát. Nó không phải một mạng riêng ảo mở 3G, thiết lập kết nối OpenVPN và chạy
5. chương trình chính. Khi chương trình chính Trên Hình 4 thể hiện Tab DTC được lập chạy sẽ kết nối và gửi IP tới SERVER.Chờ trình bằng ngôn ngữ lập trình LabVIEW các yêu cầu của SUPPORTER (thông qua dùng để thao tác đọc mã lỗi và xóa mã lỗi. SERVER), chuyển tiếp các yêu cầu xuống Tab DTC gồm có: mạch TS-STM32F107VCT6 giao tiếp, chờ - Nút Get DTC dùng để đọc mã lỗi từ lấy kết quả từ mạch TS-STM32F107VCT6 động cơ, mã lỗi sẽ được liệt kê trên khung giao tiếp để trả về SUPPORTER hiển thị mã lỗi - SERVER: - Nút Clear dùng để xóa mã lỗi động + Có IP cố định. cơ. + Nhận IP từ các BBB và lưu lại. 3.2 Kiểm nghiệm + Trả các IP của BBB cho 3.2.1 Kiểm nghiệm độ trễ của dữ liệu SUPPORTER. Thời gian trễ của dữ liệu sẽ được thể + Chuyển các gói tin từ SUPPORTER hiện dưới ô TimeHình 5 đến BBB và ngược lại. - Kêt quả trả về SUPPORTER nhận được: Hinh5: Thời gian trễ - Kiểm nghiệm độ trễ của dữ liệu, tác Hình 3: Giao diện của SUPORTER thể giả đã lắp đặt thiết bị vào xe Mirage CVT hiện tốc độ động cơ và tốc độ xe, nhiệt độ 2014 của hãng Mitsubishi, rồi cho xe lưu nước làm mát thông trên đoạn đường tô màu vàng Hình Trên Hình 3 thể hiện Tab Sensor được lập 4.16 trình bằng ngôn ngữ lập trình LabVIEW dùng để thể hiện tốc độ động cơ, tốc độ xe, nhiệt độ nước làm mát. Hình 6: Đường chạy thử để kiểm nghiệm độ trễ của dữ liệu Kiểm nghiệm vào hai ngày thứ Sáu và Chủ nhật, mỗi ngày chạy ba lần vào các thời gian sau: Buổi sáng(8.30~9.30), buổi Hình 4:Giao diện của SUPORTER đọc mã trưa (11:30~12:30) buổi chiều lỗi và xóa mã lỗi (17:00~18:00). Trong mỗi khoản thời gian
6. này sẽ tiến hành 5 lần thí nghiệm mỗi lần này, tác giả đã lắp đặt thiết bị vào xe thí nghiệm diễn sẽ diễn ra trong 5 Mirage đời 2014 của hãng Mitsubishi, cho phút.Trong mỗi lần thí nghiệm tác giả cho xe dừng tại vị trí như trên hình. hệ thống chạy tính năng theo dõi và thu thập thông tin tốc độ,tua máy và nhiệt độ nước làm mát từ xe liên tục (theo dõi online).Phần kiểm nghiệm trong thí nghiệm này là độ trễ của mỗi phiên truyền nhận thông tin giữa máy tính của Supporter với hệ thống gắn trên xe. Thông số độ trễ thu bên dưới cho mỗi lần thí nghiệm được lo chọn là độ trễ lớn nhất Hinh 7: Đường chạy thử để kiểm nghiệm của lần thí nghiệm đó kết quả thí nghiệm tính năng độ và xóa mã lỗi được biểu diễn ở hai bảng là Bảng 1 và Tại các điểm dừng chân này tài xế sẽ cố Bảng 2 tình tạo ra các PAN cho xe và yêu cầu trạm Buổi sáng Buổi trưa Buổi chiều đọc mã lỗi xem có đúng với những PAN đã Thời (8.30~9.30) (11:30~12:30) (17:00~18:00) tạo ra hay không, tiếp theo tài xế sẽ khắc gian phục các PAN này và yêu cầu trạm xóa mã lỗi, cuối cùng tài xế sẽ kiểm tra đèn tín hiệu Số lần báo lỗi trên taplo xem lỗi đã được xóa hay lấy chưa. mẫu Với bài Test này tác giả đã thực hiện 1 673(ms) 850(ms) 951(ms) tổng cộng 10 lần với nhà cung cấp mạng là 2 845(ms) 902(ms) 805(ms) 3 702(ms) 812(ms) 1201(ms) Viettel, Mỗi chu kỳ tạo Pan – Kết nối với 4 853(ms) 1251(ms) 950(ms) BBB- Đọc mã lỗi- Khắc phục Pan-Xóa 5 1200(ms) 1040(ms) 810(ms) mã lỗi-Kiểm tra lại đèn Check và đọc lại TB 840,6(ms) 971(ms) 943,4(ms) mã lỗi. Nếu có sai sót mã lỗi trả về hoặc Bảng 1: Thống kê độ trễ của dữ liệu ngày không thực hiện lệnh đọc mã lỗi và xóa mã Thứ Sáu lỗi trong vòng 1 phút thì sẽ bị coi là lần thử Bu ổi sáng Buổi trưa Buổi chiều Thời (8.30-9.30) (11:30~12:30) (17:00~18:00) thất bại. gian -Kết quả. STT PAN Mã lỗi Kết trả về quả Số lần lấy mẫu 1 Đầu vào của mạch P0113 Đọc 1 724(ms) 1217(ms) 921(ms) cảm biến Nhiệt độ P0103 và xóa 2 2150(ms) 1050(ms) 805(ms) khí nạp cao mã lỗi 3 800(ms) 920(ms) 1501(ms) Đầu vào của mạch thành 4 1920(ms) 1700(ms) 3210(ms) 5 1850(ms) 1761(ms) 1012(ms) lưu lượng hay công TB 1488,8(ms) 1329,6(ms) 1489,8(ms) Khối lượng khí Bảng 2: Độ trễ của dữ liệu ngày Chủ Nhật nạp cao 4.2.3 Kiểm nghiệm tính năng đọc mã lỗi và xóa mã lỗi trên xe. 2 Đầu vào của mạch P0118 Đọc -Mô tả thí nghiệm: cảm biến nhiệt độ và xóa Để kiểm tra sự hoạt động của chức năng nước làm mát mã lỗi
7. động cơ cao thành cấp / Thứ cấp mã lỗi công thành 3 Đầu vào của mạch P0113 Đọc công lưu lượng hay và xóa Bảng 3: Thống kê đọc xóa mã lỗi Khối lượng khí P0103 mã lỗi 4 Kết luận nạp cao thành 4.1 Kết quả đạt được Đầu vào của mạch công - Tìm hiểu và ứng dụng lập trình cảm biến Nhiệt độ C++ để lập trình điều khiển cho dòng vi khí nạp cao điều khiển ARM 4 Mạch "A" của P0351 Đọc - Thu thập được nhiệt độ động cơ, cuộn đánh lửa sơ và xóa tốc độ động cơ, tốc độ xe thông qua cấp / Thứ cấp mã lỗi thành mạng 3G công - Đọc được mã lỗi chẩn đoán thông 5 Đầu vào của mạch P0343 Đọc qua mạng 3G cảm biến vị trí và xóa - Xóa mã lỗi chẩn đoán từ xa thông trục cam "A" cao mã lỗi qua mạng 3G thành công 4.2 Các vấn đề chưa đạt được 6 Đầu vào của mạch P0113 Đọc - Chưa xây dựng được thuyết minh cảm biến Nhiệt độ P0103 và xóa cho mã lỗi DTC. khí nạp cao mã lỗi - Giao diện chưa thân thiện với Đầu vào của mạch thành người dùng. lưu lượng hay công - Số lượng dữ liệu cảm biến thu Khối lượng khí thập được còn hạn chế. nạp cao - Chưa chế tạo bộ nguồn chuyển đổi tư 13,8 V thành 5V của BBB 7 Đầu vào của mạch P0343 Đọc 4.3 Hướng phát triển đề tài cảm biến vị trí và xóa - Xây dựng đầy đủthuyết minh cho trục cam "A" cao mã lỗi mã lỗi (DTC). thành - Giao diện thân thiện với người công dùng. 8 Đầu vào của mạch P0118 Đọc cảm biến nhiệt độ và xóa - Thu thập đầy đủ dữ liệu của các nước làm mát mã lỗi cảm biến. động cơ cao không - Xây dựng cụm máy chủ hoàn thành thiện có thể mở hội chẩn bằng video. công TÀI LIỆU THAM KHẢO 9 Mạch "A" của P0351 Đọc [1].PGS-TS Đỗ Văn Dũng 2013, Điện cuộn đánh lửa sơ và xóa động cơ và điều khiển động cấp / Thứ cấp mã lỗi thành cơ.TPHCM:NXB đại học quốc gia. công [2]. 10 Mạch "B" của P0352 Đọc [3].Iso 15765-2 network/transport cuộn đánh lửa sơ và xóa
8. protocol- Copyright © 2000 DaimlerChrysler corporationcore vehicle diagnosticsdepartment 9340small car platform engineering [4]. source/articles.html [5].TS Nguyễn Bá Hải 2009, Lập trình LabVIEW trình độ cơ bản.TPHCM:NXB đại học quốc gia. [6].Robert Lloyd2002,EvansQoS in integrated 3G networks.ARTECH HOUSE, INC [7].Đậu Trọng Hiển, Lập trình hướng đối tượng. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. [8]. point-protocol.htm [9]. ual-Private-Network.htm [10]. board_diagnostics [11].Iso 15765-2 network/transport protocol- Copyright © 2000 DaimlerChrysler corporationcore vehicle diagnosticsdepartment 9340small car platform engineering [12]. II_PIDs Xác nhận của Giảng viên hướng dẫn Ngày .tháng năm 2014 PGS – TS. Đỗ Văn Dũng
9. 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.