Thiết kế và thi công điều khiển xe mô hình bằng bluetooth thông qua hệ điều hành androi

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG ĐIỀU KHIỂN XE MƠ HÌNH BẰNG BLUETOOTH THƠNG QUA HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID SVTH : Trần Khánh Vương GVHD: Bùi Thị Bích Tuyền TP.HỒ CHÍ MINH, 2015 LỜI CÁM ƠN Trên thực tế khơng có thành cơng mà không gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người khác Trong suốt thời gian từ bắt đầu học tập giảng đường đại học đến nay, em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ q thầy cơ, gia đình bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô Khoa điện - điện tử viễn thông, Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP.HCM với tri thức tâm huyết để truyền đạt kiến thức quý báu cho em suốt thời gian học tập trường Em xin chân thành cảm ơn Bùi Thị Bích Tuyền hết lòng giúp đỡ, hướng dẫn em qua buổi học lớp buổi thảo luận đề tài Sự giúp đỡ hướng dẫn cô giúp em u thích Viễn Thơng đường chọn Mình xin chân thành cảm ơn tập thể lớp DV11 bạn bè giúp đỡ trình làm luận văn Đặc biệt bạn Thái Anh Tài giúp đỡ nhiều lúc phương hướng Bài báo cáo thực khoảng thời gian khoảng tháng Bước đầu vào thực tế, tìm hiểu lĩnh vực viển thơng, kiến thức em cịn hạn chế cịn nhiều bỡ ngỡ Do vậy, chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận ý kiến đóng góp q báu q thầy bạn học lớp để kiến thức em lĩnh vực hoàn thiện Trân trọng TP.HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2015 Sinh viên thực Trần Khánh Vương LỜI CAM ĐOAN Đề tài luận văn “Thiết kế thi công điều khiển xe mơ hình bluetooth thơng qua hệ điều hành Android” hoàn toàn kết nghiên cứu riêng em Các số liệu bảng biểu hồn tồn xác, nội dung luận văn có tham khảo sử dụng tài liệu đăng tải tác phẩm, tạp chí trang web theo danh mục tài liệu tham khảo luận văn Em xin cam đoan nêu hồn tồn thật, sai em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm TP HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2015 Sinh viên thực Trần Khánh Vương NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TP HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2015 Chữ ký Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN TP HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2015 Chữ ký Giáo viên phản biện Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG HIỆU viii LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT BLUETOOTH 1.1 Tổng quan Bluetooth 1.1.1 Lịch sử hình thành bluetooth .6 1.1.2 Các mốc phát triển bluetooth .7 1.1.3 Sự nâng cấp phiên bluetooth 10 1.2 Các tầng giao thức Bluetooth 13 1.2.1 Bluetooth radio 14 1.2.2 Baseband 15 1.2.3 Network topology (Giao thức kết nối) 15 1.2.4 Định nghĩa liên kết vật lý SCO ACL 17 1.2.5 Địa thiết bị .18 1.2.6 Kỹ thuật nhảy tần số công nghệ bluetooth 18 1.2.7 Quản lý trạng thái 21 1.2.8 Thiết lập kết nối 21 1.2.9 Các chế độ kết nối 22 1.2.10 Cơ chế truyền sửa lỗi Bluetooth 23 1.3 LinkManager Protocol .24 1.4 Host Controller Interface 24 SVTH: Trần Khánh Vương Trang i Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền 1.5 Logical link control and adaption protocol (L2CAP) .25 1.5.1 Những yêu cầu chức L2CAP 25 1.5.2 Những đặc điểm khác L2CAP 26 1.6 RFCOMM protocol 26 1.7 Service Discovery Protocol (SPD-Dịch vụ) 27 1.8 Ưu Khuyết điểm bluetooth, so sánh với chuẩn kết nối không dây khác 28 1.8.1 Ưu điểm 28 1.8.2 Khuyết điểm 29 1.8.3 So sánh với kỹ thuật không dây khác .29 1.9 Tương lai công nghệ Bluetooth 34 1.10 Bảo mật Bluetooth 37 1.10.1 Một số vấn đề bảo mật xảy kết nối bluetooth thực 37 1.10.2 Những yếu điểm bị công mạng bluetooth 37 1.10.3 Các giải pháp an tồn bảo mật sử dụng cơng nghệ mạng Bluetooth 39 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ARDUINO 42 2.1 Sự hình thành phát triển Arduino 42 2.1.1 Khởi nguồn tên gọi Arduino 42 2.1.2 Sự sáng tạo qua phiên phần cứng Arduino 43 2.1.3 Các phiên Arduino qua năm .44 2.2 Cấu trúc mạch Arduino UNO R3 46 2.2.1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 46 2.2.2 Vi điều khiển .47 2.2.3 Năng lượng 48 SVTH: Trần Khánh Vương Trang ii Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền 2.2.4 Các chân lượng 48 2.2.5 Bộ nhớ .49 2.2.6 Các cổng vào .49 2.2.7 Các chân vào .50 2.2.8 Mơi trường lập trình cho Arduino 50 2.3 Một số lưu ý sử dụng Arduino UNO 51 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 53 3.1 Các linh kiện điện tử dùng để làm mơ hình 53 3.1.1 Bluetooth HC-05 thông số kỹ thuật 53 3.1.2 Mạch cầu H, điều khiển PAM xung đảo chiều động 56 3.1.3 Động bước 60 3.1.4 Phần mềm điều khiển android - Arduino Bluetooth RC Car 62 3.2 Thi công mạch 63 3.2.1 Sơ đồ khối mạch 63 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch 64 3.2.3 Khối cảm biến Arduino – Bluetooth 65 3.2.4 Khối xử lý tín hiệu – Điều khiển động 66 3.2.5 Khối chuyển động: L298 – Động bước .67 KẾT LUẬN 68 LỜI KẾT .70 ĐÍNH KÈM 70 SVTH: Trần Khánh Vương Trang iii Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ISM (Industrial, Scientific, Medical): Dãy tầng 2.40 – 2.48 GHz, dãy băng tầng không cần đăng ký dành riêng để dùng cho thiết bị không dây công nghiệp, khoa học, y tế SIG (Special Interest Group): Nhóm nghiên cứu SIG thức thành lập với mục đích phát triển cơng nghệ Bluetooth thị trường viễn thông Bất kỳ công ty có kế hoạch sử dụng cơng nghệ Bluetooth tham gia vào CSR (Cambridge Silicon Radio): Một nơi nghiên cứu để chế tạo chip Bluetooth CES (Consumer Electronics Show): Hội nghị sản phẩm điện từ tổ chức Las Vegas, Mỹ OBEX (OBject EXchange protocol): Chuẩn đồng hoá liệu cho PDA MAC (Media Access Control): Điều khiển truy cập truyền thông AMA (Active Member Address): Địa bit dành cho thiết bi hoạt động piconet PMA (Packed Member Address): Con số bit để nhận biết packed Slave với có tối đa 255 thiết bị trạng thái Piconet ACL (Asynchronous connectionless): Phi kết nối bất đồng dành cho truyền liệu 10 SCO (Synchronous connection-oriented): Kết nối đồng có định hướng 11 CRC (Cyclic Redundancy Check): Gói kiểm lỗi theo chu kỳ 12 FCC (Federal Communications Commission): Điều lệ quy định việc sử dụng sóng radio giới 13 FDMA (Frequency Division Multiple Access): Đa truy cập phân chia theo tầng số 14 TDMA (Time Division Multiple Access): Đa truy cập phân chia theo thời gian CDMA (Code Division Multiple Access): Đa truy cập phân chia theo mã SVTH: Trần Khánh Vương Trang iv Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền Hình 3.7 Sơ đồ khối mạch Sau đủ linh kiện cần thiết để thi công mạch gồm:  Bluetooth HC-05  Arduino Uno  Smarth phone sử dụng HĐH Android  L298 Motor driver  Nguồn: Pin sạc (trong đề tài em sử dụng Pin sạc lipo 7,2volt 2000 mhA)  Động bước motor  Dây nối – Đế sản phẩm 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch SVTH: Trần Khánh Vương Trang 62 Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền Hình 3.8 Sơ đồ ngun lý mạch Nguyên lý hoạt động mạch sau: Sau bluetooth smartphone xe mơ hình kết nối Mỗi người điều khiển điều khiển xe mơ hình qua phím điều khiển ứng dụng HĐH Android, có tín hiệu gửi bluetooth HC-05 Tín hiệu ký tự A, B, C, D mã hóa cài đặt từ trước Sau bluetooth HC-05 nhận tín hiệu này, bluetooth HC-05 gửi tín hiệu vi xử lý Arduino SVTH: Trần Khánh Vương Trang 63 Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền Uno Nhiệm vụ arduino uno giải mã tín hiệu điều khiển hoạt động bánh xe (động bước) thông qua motor driver L298 3.2.3 Khối cảm biến Arduino – Bluetooth Hình 3.9 Cách nối dây khối bluetooth-Arduino Chúng ta nối chân hình vẽ  GND bluetooth nối với GND Arduino  VCC nối với chân điện áp 3.3 volt  Chân TxD nối với chân Arduino  Chân RxD nối với chân Arduino code thiết lập Mục đích khối nhận tín hiệu từ smartphone cho Arduino giải mã 3.2.4 Khối xử lý tín hiệu – Điều khiển động SVTH: Trần Khánh Vương Trang 64 Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền Hình 3.10 cách nối dây khối Arduino – L298 Chúng ta tiếp tục nối dây Arduino motor driver L298 với nguyên lý sau:  Chân EnA nối với chân số 11 arduino  Chân EnB nối với chân số 10 arduino  Chân In1 nối với chân số arduino  Chân In2 nối với chân số arduino  Chân In3 nối với chân số arduino  Chân In4 nối với chân số arduino Hai chân EnA-EnB nối vào chân 11-10 chân PWM đồng nghĩa thay đổi điện áp đầu ra, từ cách tốc độ vịng quay động từ điều khiển cho xe chạy chậm/nhanh 3.2.5 Khối chuyển động: L298 – Động bước SVTH: Trần Khánh Vương Trang 65 Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền Hình 3.11 Cách nối dây động với L298 Đây động xe, tín hiệu sau Arduino mã hóa chuyển thành xung điện chuyển tới động Các mô tơ thực nhiệm vụ di chuyển cho xe Trên tất công đoạn nguyên lý hoạt động mạch để tạo xe sau SVTH: Trần Khánh Vương Trang 66 Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền KẾT LUẬN Hướng mở rộng đề tài Sau hồn thành đề tài em có số hướng mở rộng cho đề tài sau  Sử dụng đề tài vào lĩnh vực smart home, hoạt động giống nguyên lý hoạt động xe mơ hình  Xây dựng hệ thống đưa xe ra, vào gara hệ thống bluetooth điều khiển qua Android Đóng cửa gara  Xây dựng hệ thống chống trộm cho xe báo smartphone Những bluetooth mang lại cho sống nhiều không kể xiết, với vốn kiến thức hạn hẹp nên người viết nêu số ý kiến chủ quan Nhưng tin tương lai bluetooth bluetooth làm nhiều Hạn chế đề tài Chưa có khả truyền ngược lại tín hiệu từ xe mơ hình smartphone để sử dụng đầy đủ tính chiều bluetooth  Bluetooth hoạt động chập chờn, chưa ổn định  Mơ hình chưa đẹp  Giao diện thiết kế đơn giản, chưa nhiều tính  Mỗi lần dị tìm bluetooth tốn thời gian Tài liệu tham khảo Đề tài tìm hiểu qua kiến thức học trường lớp kiến thức tìm hiểu mạng thơng qua trang trang web: www.google.com.vn http://www.bluetooth.com SVTH: Trần Khánh Vương Trang 67 Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền http://www.bluetooth.org http://www.dientuvietnam.net http://tailieu.vn http://www.diendientu.com http://arduino360.com http://arduino.cc SVTH: Trần Khánh Vương Trang 68 Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền LỜI KẾT Ngành điện tử viễn thông đời thổi luồng gió vào tất lĩnh vực đời sống – xã hội, đặc biệt năm gần đây, phát triển nhanh chóng cơng nghệ viễn thông không dây mở khung trời cho cơng nghệ phần mềm Vì giới quốc gia dù phát triển hay phát triển cố gắng áp dụng truyền thông, viễn thông vào mặt đời sống xã hội Viễn thông ln có mặt lúc, nơi nhằm hỗ trợ cho ngành nghiên cứu đạt thành tựu to lớn để đại hóa quy trình quản lý sản xuất kinh doanh nhằm đạt hiệu kinh tế cao Chính vậy, thời gian gần ngành nghề trọng đến việc xây dựng đường truyền, phần mềm ứng dụng tin học việc trao đổi thông tin việc trao đổi phải nhanh, bảo mật, dễ sử dụng Ngoài việc nhanh mà chúng làm cho việc trao đổi thiết bị không cần thiết bị ứng dụng khác vấn đề mà cơng nghệ Bluetooth đời Với mong muốn tìm hiểu cơng nghệ, kĩ thuật giúp đỡ thầy giáo khoa nên em hồn thành đề tài “Thiết kế thi công điều khiển xe mơ hình bluetooth thơng qua hệ điều hành Android” Qua trình thực đề tài, em thu thập nhiều kiến thức bổ ích công nghệ truyền thông không dây bluetooth hay kiến thức chưa biết qua trường lớp Bài báo cáo thực khoảng thời gian khoảng tháng Bước đầu vào thực tế, tìm hiểu lĩnh vực viển thơng, kiến thức em cịn hạn chế nhiều bỡ ngỡ Do vậy, chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong đóng góp ý kiến quý thầy để em hồn thành đề tài SVTH: Trần Khánh Vương Trang 69 Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền ĐÍNH KÈM Code cho mạch Code sử dụng phần mềm Arduino phiên 1.6.1 để nạp #include #include int bluetoothTx = 1; int bluetoothRx = 0; int vSpeed = 255;// khai báo biến tốc độ char Status; SoftwareSerial bluetooth(bluetoothTx, bluetoothRx); // Motor int Motor1A = 6; int Motor1B = 5; a //Motor int Motor2A = 4; int Motor2B = 3; int EN1 = 11; int EN2 = 10; // Light int LightFront = 8; int LightBack = 9; SVTH: Trần Khánh Vương Trang 70 Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền int Speaker = 12; void setup() { //Setup Bluetooth serial connection to android bluetooth.begin(9600); pinMode(LightFront, OUTPUT); pinMode(LightBack, OUTPUT); pinMode(Speaker, OUTPUT); pinMode(EN1, OUTPUT); pinMode(EN2, OUTPUT); analogWrite(EN1, 0); analogWrite(EN2, 0); pinMode( Motor1A, OUTPUT ); pinMode( Motor1B, OUTPUT ); digitalWrite( Motor1A, LOW ); digitalWrite( Motor1B, LOW ); pinMode( Motor2A, OUTPUT ); pinMode( Motor2B, OUTPUT ); digitalWrite( Motor2A, LOW ); digitalWrite( Motor2B, LOW ); } void loop() { //Read from bluetooth and write to usb serial SVTH: Trần Khánh Vương Trang 71 Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền if (bluetooth.available()) { Status = (char)bluetooth.read(); // Motor speed if (Status == '0') vSpeed = 0; else if (Status == '1') vSpeed = 50; else if (Status == '2') vSpeed = 75; else if (Status == '3') vSpeed = 100; else if (Status == '4') vSpeed = 125; else if (Status == '6') vSpeed = 150; else if (Status == '7') vSpeed = 175; else if (Status == '8') vSpeed = 200; else if (Status == '9') vSpeed = 225; else if (Status == 'q') vSpeed = 255; // Code Light if (Status == 'W') digitalWrite(LightFront, HIGH); SVTH: Trần Khánh Vương Trang 72 Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền else if (Status == 'w') digitalWrite(LightFront, LOW); else if (Status == 'U') digitalWrite(LightBack, HIGH); else if (Status == 'u') digitalWrite(LightBack, LOW); else if (Status == 'V') digitalWrite(Speaker, HIGH); else if (Status == 'v') digitalWrite(Speaker, LOW); if (Status == 'S') { digitalWrite( Motor1A, LOW ); digitalWrite( Motor1B, LOW ); digitalWrite( Motor2A, LOW ); digitalWrite( Motor2B, LOW ); analogWrite(EN1, 0); analogWrite(EN2, 0); } else if (Status == 'G') // Forward Left { digitalWrite( Motor1A, HIGH ); digitalWrite(Motor2A, HIGH); analogWrite(EN2, vSpeed / ); analogWrite(EN1, vSpeed ); } SVTH: Trần Khánh Vương Trang 73 Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền else if (Status == 'I') // Forward Right { digitalWrite( Motor2A, HIGH ); digitalWrite(Motor1A, HIGH); analogWrite( EN2, vSpeed ); analogWrite(EN1, vSpeed / 4); } else if (Status == 'H') // Back Left { digitalWrite( Motor2B, HIGH ); digitalWrite(Motor1B, HIGH); analogWrite( EN2, vSpeed / ); analogWrite(EN1, vSpeed); } else if (Status == 'J') // Back Right { digitalWrite( Motor2B, HIGH ); digitalWrite(Motor1B, HIGH); analogWrite( EN2, vSpeed ); analogWrite(EN1, vSpeed / 4); } else if (Status == 'F') // Forward { digitalWrite( Motor1A, HIGH ); digitalWrite( Motor2A, HIGH); analogWrite(EN1, vSpeed); SVTH: Trần Khánh Vương Trang 74 Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền analogWrite(EN2, vSpeed); } else if (Status == 'B') // Backward { digitalWrite( Motor1B, HIGH ); digitalWrite( Motor2B, HIGH ); analogWrite( EN1, vSpeed ); analogWrite(EN2, vSpeed); } else if (Status == 'L') // Left { digitalWrite( Motor1A, HIGH ); digitalWrite(Motor2B, HIGH); analogWrite( EN1, vSpeed ); analogWrite(EN2, vSpeed); } else if (Status == 'R') // Right { digitalWrite( Motor2A, HIGH ); digitalWrite(Motor1B, HIGH); analogWrite( EN2, vSpeed ); analogWrite(EN1, vSpeed); } else { SVTH: Trần Khánh Vương Trang 75 Luận văn tốt nghiệp khóa 2011 GVHD: ThS Bùi Thị Bích Tuyền digitalWrite( Motor1A, LOW ); digitalWrite( Motor1B, LOW ); digitalWrite( Motor2A, LOW ); digitalWrite( Motor2B, LOW ); } } } SVTH: Trần Khánh Vương Trang 76