Thiết kế mạch giao tiếp với cảm biến áp lực hữu cơ, ứng dụng theo dõi bước chân trên điện thoại thông minh, máy tính bảng

Bài viết đề xuất phương pháp chế tạo cảm biến áp lực hữu cơ dạng mềm dẻo, sử dụng màng mỏng polyurethan. Để phát triển ứng dụng cho cảm biến mới chế tạo, trong bài báo này, nhóm tác giả trình bày một phương pháp thiết kế mạch giao tiếp với cảm biến sử dụng các linh kiện có sẵn trên thị trường. Mạch giao tiếp cảm biến sử dụng module bluetooth để kết nối với điện thoại thông minh, máy tính bảng. Đồng thời nhóm tác giả cũng xây dựng phần mềm ứng dụng hiển thị và lưu thông tin cho điện thoại thông minh, máy tính bảng sử dụng hệ điều hành Android. Kết quả ứng dụng ban đầu của công trình có thể theo dõi và hiển thị chính xác dạng tín hiệu bước chân của người ở vận tốc đi bộ bình thường. Mời các bạn cùng tham khảo!

Thiết kế mạch giao tiếp với cảm biến áp lực hữu cơ, ứng dụng theo dõi bước chân điện thoại thơng minh, máy tính bảng Khổng Đức Chiếna*, Phạm Văn Họcb, Lê Thị Trangc, Heisuke Sakaid, Hoàng Văn Phúca*, Đào Thanh Toảnb,e* a Khoa Vô tuyến Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Lê Q Đơn; số 236 Hồng Quốc Việt, Cổ Nhuế 1, Bắc Từ Liêm, Hà Nội b Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Giao thông Vận tải; số 3, Cầu Giấy, Đống Đa, Hà Nội c Khoa Điện tử, Đại học Công nghiệp Hà Nội; số 298 Cầu Diễn, Minh Khai, Bắc Từ Liêm, Hà Nội d Japan Advanced Institute of Science and Technology; 1-1 Asahidai, Nomi, Ishikawa 923-1292, Japan e Trung tâm Nghiên cứu Phát triển Việt-Nhật (ViJARD), Trường Đại học Giao thông Vận tải; số 3, Cầu Giấy, Đống Đa, Hà Nội * Email: kchien.tdc@gmail.com, phuchv@mta.edu.vn, daotoan@utc.edu.vn tích hợp cảm biến để thu thập thông tin độ dài áp lực bước chân Trong lĩnh vực thể thao, đáng ý nghiên cứu Salpavaara [7] Holleczek [8] theo dõi thời gian chuyển động bước chân vận động viên trình ném, nhảy chạy môn thể thao Nhiều môn thể thao cần kết hợp tốt động tác chạy, ném, nhảy để vận động viên mang lại thành tích tốt Các thơng tin từ kết phân tích thời gian chuyển động bước chân, vận động viên đạt kết tốt trình luyện tập, giảm thiểu chấn thương mắc phải Trong nghiên cứu gần [9], thành công chế tạo cảm biến áp lực sử dụng màng mỏng polyurethane phương pháp ép nhiệt thử nghiệm ứng dụng lĩnh vực theo dõi sức khỏe cơng trình xây dựng Cấu tạo đặc tính cảm biến thể hình Abstract – Trong năm gần đây, cảm biến áp lực hữu nhận quan tâm lớn việc nghiên cứu phát triển ứng dụng Với tiềm ứng dụng cho IoT, nhiều ứng dụng sử dụng cảm biến hữu dạng mang gắn thể kết hợp với hiển thị thơng tin điện thoại thơng minh, máy tính bảng Trong cơng trình nghiên cứu gần đây, chúng tơi đề xuất phương pháp chế tạo cảm biến áp lực hữu dạng mềm dẻo, sử dụng màng mỏng polyurethan Để phát triển ứng dụng cho cảm biến chế tạo, báo này, nhóm tác giả trình bày phương pháp thiết kế mạch giao tiếp với cảm biến sử dụng linh kiện có sẵn thị trường Mạch giao tiếp cảm biến sử dụng module bluetooth để kết nối với điện thoại thơng minh, máy tính bảng Đồng thời nhóm tác giả xây dựng phần mềm ứng dụng hiển thị lưu thông tin cho điện thoại thơng minh, máy tính bảng sử dụng hệ điều hành Android Kết ứng dụng ban đầu cơng trình theo dõi hiển thị xác dạng tín hiệu bước chân người vận tốc bình thường Keywords – Mạch giao tiếp cảm biến, IoT device, cảm biến áp lực hữu cơ, phần mềm ứng dụng Android, tín hiệu bước chân (a) (b) I GIỚI THIỆU Thời gian gần đây, nghiên cứu phát triển ứng dụng chăm sóc sức khỏe, vận động sử dụng cảm biến để phân tích phân bố lực bàn chân thu hút quan tâm nghiên cứu nhóm nghiên cứu công ty công nghệ [1-2] Các nghiên cứu tập trung phát triển ứng dụng với cảm biến hệ thống cảm biến tính hợp vào giầy, tất đeo chân với mục đích theo dõi di chuyển bệnh nhân các vận động viên thể thao Trong lĩnh vực theo dõi sức khỏe, nghiên cứu chủ yếu sử dụng giày có tích hợp hệ thống cảm biến để theo dõi hồi phục bệnh nhân Crosbie Nicol [3] đề xuất hệ thống theo dõi hồi phục bệnh nhân chấn thương thần kinh liên quan tới khả vận động, cách sử dụng cảm biến để phân tích bước chân phân bố lực bàn chân tiếp xúc với mặt đất Các cơng trình nghiên cứu đưa phương pháp theo dõi phục hồi bệnh nhân sau chấn thương [4-6] bệnh nhân đột quỵ sử dụng giày đeo Vỏ bảo vệ Plastic Điện cực Aluminium Màng mỏng Polyurethane Hình a) Cấu tạo; b) Đặc tính cảm biến áp lực hữu sử dụng màng mỏng polyurethane Mặt khác, A P Hills cộng áp lực người trưởng thành di chuyển 120 kPa [10], giá trị nằm khoảng đo cảm biến hình 1b, cảm biến có khả sử dụng để theo dõi tín hiệu bước chân Vì nhóm tác giả đề xuất phương pháp thiết kế mạch giao tiếp cảm biến áp lực, kết nối không dây bluetooh với điện thoại thơng minh, máy tính bảng ứng dụng theo dõi tín hiệu bước chân Đồng thời nhóm nghiên cứu xây dựng phần mềm ứng dụng cài đặt điện thoại thông minh, máy 203 kết nối với điện thoại thơng minh, máy tính bảng thơng qua module bluetooth HC-05, tín hiệu mang thơng tin điện dung truyền bluetooth tới điện thoại/máy tính bảng để hiển thị hình ứng dụng Android tính bảng sử dụng hệ điều hành Android để hiển thị lưu trữ thông tin cảm biến Kết thử nghiệm cho thấy, hệ thống hiển thị xác tín hiệu bước chân người II THIẾT KẾ MẠCH GIAO TIẾP CẢM BIẾN (a) Mục tiêu thiết kế mạch giao tiếp cảm biến sử dụng dạng đeo gắn thể Vì tiêu chí nhỏ gọn, cơng suất tiêu thụ thấp nhóm tác giả quan tâm hàng đầu việc lựa trọn lựa linh kiện sử dụng Bên cạnh yếu tố giá thành rẻ tính sẵn có phổ biến thị trường Qua nghiên cứu, khảo sát, kế thừa cơng trình nghiên cứu trước [11] nhóm thiết kế chọn họ vi điều khiển Atmega328 tích hợp bo mạch Arduino Nano Bo mạch Arduino Nano [12] tích hợp ADC (Analog to Digital Converter) 10 Bit, có đầu vào analog 14 đầu digital thuận tiện để mở rộng, nâng cấp sử dụng cho nhiều cảm biến khác Bên cạnh đó, để hiển thị tín hiệu bước chân điện thoại thơng minh, máy tính bảng tác giả lựa chọn ngơn ngữ lập trình Java để xây dựng phần mềm ứng dụng cài đặt điện thoại thơng minh, máy tính bảng sử dụng hệ điều hành Android Vì tính phổ biến điện thoại, máy tính bảng sử dụng hệ điều hành Android hỗ trợ tốt ứng dụng mà nguồn mở R1 Tới cảm biến NE555 HC05 74HC14 Atmega 328 Hình a) Mạch PCB; b) Bảng mạch mạch giao tiếp cảm biến kích thước (5 x 7) cm Sau hoàn thiện thiết kế mạch nguyên lý, nhóm nghiên cứu gia cơng mạch PCB (Printed Circuit Board) phương pháp ăn mịn phịng thí nghiệm Sơ đồ mạch in hình ảnh bảng mạch giao tiếp cảm biến kích thước (5 x 7) cm sau hồn thiện trình bày hình Các bước làm việc chức hệ thống (gồm phần cứng phần mềm ứng dụng) thể lưu đồ hình Phần mềm ứng dụng xây dựng môi trường Android Studio, giúp tạo chương trình ổn định, đảm bảo tính tùy biến cao, phép người lập trình dễ dàng sửa đổi, bổ sung chức theo mục đích sử dụng Hơn phần mềm ứng dụng cịn có tính tương tác cao, việc hiển thị lưu giữ liệu điện thoại cịn hỗ trợ hiển thị lưu liệu lên server Đây ưu điểm bật để phát triển ứng dụng IoT 1k Pin Lithium polymer R2 10 k Sensor A NE555 ADC/ Atmega 328 (b) Bluetooth (HC-05) 74HC14 B Khởi động hệ thống Phần mềm ứng dụng Kết nối module HC05 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp cảm biến áp lực Sai Sau lựa chọn linh liện, sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp cảm biến áp lực sử dụng module bluetooth kết nối với điện thoại thơng minh, máy tính bảng thể hình Như thể hình 1, IC tạo dao động IC NE555 nối với cảm biến qua cổng A B Khi tần số tín hiệu đầu NE555 tính theo cơng thức: f = (1) CCb ( R1 + R2 ) ln Trong CCb giá trị điện dung cảm biến Tín hiệu đầu IC NE555 sau qua IC so sánh mức 74HC14 để chuẩn tín hiệu xung vng đưa tới đầu vào bo mạch nhúng Arduino Nano R1 R2 chọn tương ứng kΩ 10 kΩ tương ứng, tần số đến chip nhúng phụ thuộc vào điện dung cảm biến: 0, 687 ´ 10-4 (2) CCb = = f ( R1 + R2 ) ln f Giá trị điện dung cảm biến sau tính qua tần số sở công thức (2) Vi điều khiển Atmega328 Kết nối Đúng Start Nhận liệu từ cảm biến Tính tốn, gửi thơng tin tới HC05 Gửi thông tin tới phần mềm ứng dụng Hiển thị Sai Stop Đúng Xem liệu Lưu liệu Mở file Thốt Hình Lưu đồ làm việc chức hệ thống 204 Như thể sơ đồ hình 3, sau khởi động hệ thống chạy phần mềm ứng dụng điện thoại thông minh, phần mềm đưa yêu cầu kết nối bluetooth với module HC05 mạch giao tiếp cảm biến Khi ghép nối bluetooth xong, ấn nút Start, phần mềm bắt đầu hoạt động Khi tín hiệu nhận từ cảm biến liên tục gửi tới phần mềm để hiển thị lên hình điện thoại Chương trình dừng lại ta nhấn nút Stop Và ta lực chọn thực đơn lưu liệu, hiển thị toàn liệu, mở liệu lưu trước Hệ thống sau thiết kế bao gồm: cảm biến, mạch giao tiếp phần mềm ứng dụng cài điện thoại thơng minh, máy tính bảng thể hình thị rõ ràng tín hiệu bước chân người với vận tốc bình thường thể hình Nhấc chân lên Đặt chân xuống Hình Tín hiệu bước chân người với vận tốc bình thường Khi bước chân người thử nghiệm chạm đất, điện dung cảm biến tăng lên, tương ứng với đỉnh lên xung tín hiệu thể hình điện thoại thơng minh, máy tính bảng Ngược lại, bước chân người thử nghiệm nhấc lên, điện dung cảm biến giảm, tương ứng với đỉnh xung tín hiệu xuống IV KẾT LUẬN Trong báo này, nhóm tác giả đề xuất phương pháp thiết kế mạch giao tiếp cảm biến áp lực hữu cơ, sử dụng linh kiện điện tử có sẵn thị trường Nhóm nghiên cứu xây dựng phần mềm ứng dụng hiển thị lưu thông tin điện thoại thông minh, máy tính bảng chạy hệ điều hành Android Mạch giao tiếp kết nối với điện thoại thơng minh, máy tính bảng bluetooth Qua thử nghiệm, hệ thống sau thiết kế thị xác tín hiệu bước chân người tốc độ bình thường điện thoại thơng minh, máy tính bảng Mạch giao tiếp cảm biến sử dụng để phát triển ứng dụng khác dạng đeo gắn thể người với mục đích giám sát chuyển động theo dõi sức khỏe Hướng nghiên cứu nhóm tác giả bổ sung thuật tốn xử lý tín hiệu, tăng thêm số lượng cảm biến để thu thập đầy đủ thơng tin tín hiệu bước chân người phát triển ứng dụng IoT khác dạng đeo gắn thể Module giao tiếp Cảm biến áp lực Phần mềm Hình Hệ thống sau thiết kế III THỬ NGHIỆM THEO DÕI BƯỚC CHÂN Hình thể hình ảnh bước chuẩn bị (5a) trình theo dõi bước chân hệ thống thử nghiệm (5b) Mạch giao tiếp có kích thước nhỏ gọn gắn lên giày cách tận dụng dây buộc giầy cố định loại băng dính keo dán thông thường Cảm biến áp lực hữu dán đế giày băng dính kéo dán thông thường Theo Thông tin từ nhà sản xuất với HC 05, truyền phạm vi 10 m, nghiên này, chúng tơi ước tính cự ly truyền tầm nhìn thẳng khoảng 10 m (a) (b) LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Quỹ phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số: 103.02-2017.34 TÀI LIỆU THAM KHẢO Cảm biến gắn đế giày [1] N Hegde, M Bries, E Sazonov, “A comparative review of footwearbased wearable systems,” Electronics, 5(3), 48, 2016 [2] F Lin, A Wang, Y Zhuang, M R Tomita, W Xu, “Smart insole: A wearable sensor device for unobtrusive gait monitoring in daily life,” IEEE Transactions on Industrial Informatics, 12(6), pp.2281-2291, 2016 [3] W J Crosbie, A C Nicol, “Reciprocal aided gait in paraplegia,” Spinal Cord, pp.353-363, 1990 Hình a) Hệ thống với cảm biến gắn đế giầy; b) Quá trình theo dõi bước chân Kết thứ nghiệm cho thấy rằng, sử dụng cảm biến áp lực hữu nhóm tác giả phát triển, hệ thống hiển 205 [11] Khổng Đức Chiến, Phạm Xuân Tùng, Đặng Ngọc Tú, Heisuke Sakai, Hoàng Văn Phúc, Đào Thanh Toản, “ Xây dựng hiệu chỉnh mạch đọc cảm biến áp lực hữu cơ,” Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia 2017 Truyền thông Công nghệ thông tin, ISBN: 978-604-67-1021-9, pp 206-210, 2017 [12] https://store.arduino.cc/arduino-nano, truy cập: Sep 30th 2018 [4] F Neaga, et al, “A wireless system for monitoring the progressive loading of lower limb in post-traumatic rehabilitation,” International Conference on Advancements of Medicine and Health Care through Technology, pp 54-59, Springer, Berlin, Heidelberg, 2011 [5] Wada, Chikamune, et al, “Development of a rehabilitation support system with a shoe-type measurement device for walking,” In Proceedings of SICE Annual Conference 2010, pp 2534-2537, 2010 [6] Edgar, S Ryan, et al, “Wearable shoe-based device for rehabilitation of stroke patients,” Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2010 Annual International Conference of the IEEE, pp 3772-3775, 2010 [7] Salpavaara, Timo, et al, “Wireless insole sensor system for plantar force measurements during sport events,” In Proceedings of IMEKO XIX World Congress on Fundamental and Applied Metrology, pp 2118-2123, 2009 [8] Holleczek, Thomas, et al, “Textile pressure sensors for sports applications,” Sensors, pp 732-737, IEEE, 2010 [9] Khổng Đức Chiến, Hoàng Văn Phúc, Đào Thanh Toản, “Chế tạo cảm biến áp lực sử dụng vật liệu Polyme, ứng dụng tự động theo dõi sức khỏe cơng trình xây dựng,” Tạp chí nghiên cứu KH & CNQS, ISSN: 1859 - 1043, số 56, pp 47-54, 2018 [10] A P Hills, E M Hennig, M McDonald, O Bar-Or, “Plantar pressure differences between obese and non-obese adults: a biomechanical analysis,” International journal of obesity, pp.1674-1679, 2001 206 ... thiết kế mạch giao tiếp cảm biến áp lực hữu cơ, sử dụng linh kiện điện tử có sẵn thị trường Nhóm nghiên cứu xây dựng phần mềm ứng dụng hiển thị lưu thông tin điện thoại thơng minh, máy tính bảng. .. mềm ứng dụng Kết nối module HC05 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp cảm biến áp lực Sai Sau lựa chọn linh liện, sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp cảm biến áp lực sử dụng module bluetooth kết nối với. .. Android Mạch giao tiếp kết nối với điện thoại thông minh, máy tính bảng bluetooth Qua thử nghiệm, hệ thống sau thiết kế thị xác tín hiệu bước chân người tốc độ bình thường điện thoại thơng minh, máy