Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Hiện thực vòng đeo tay đo thân nhiệt và tracking

e Xây dựng ứng dụng đi động dé người dùng có thê kết nối thiết bị, xem thông tin nhiệt độ, vị trí của mình, cũng như các thống kê về nhiệt độ, và biéu đồ di chuyền.. e Bluetooth 1.2: Thờ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HÒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH

TRAN PHƯỚC TAN

NGUYEN HOANG PHUC

KHOA LUAN TOT NGHIEP

TEMPERATURE MEASUREMENT AND TRACKING

BRACELET

KY SU KY THUAT MAY TINH

TP HO CHÍ MINH, 2021

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HÒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH

TRAN PHUOC TAN - 15520774

NGUYEN HOANG PHÚC - 15520643

KHOA LUAN TOT NGHIEP

HIEN THUC VÒNG DEO TAY ĐO THÂN NHIET VA

TRACKING

TEMPERATURE MEASUREMENT AND TRACKING

BRACELET

KY SU KY THUAT MAY TINH

GIANG VIEN HUONG DAN TH.S NGUYEN DUY XUAN BACH

TH.S PHAM MINH QUAN

TP HO CHÍ MINH, 2021

THONG TIN HOI DONG CHAM KHÓA LUẬN TOT NGHIỆP

Hội đồng chấm khóa luận tốt nghiệp, thành lập theo Quyết định số 70/QD-DHCNTT

ngày 27 tháng 01 năm 2021 của Hiệu trưởng Trường Đại hoc Công nghệ Thông tin.

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, nhóm đề tài xin cảm ơn tất cả thầy cô trong khoa Kỹ thuật Máy tính

nói riêng và những thầy cô ở trường Đại học Công nghệ Thông tin — Đại học Quốcgia TP Hồ Chí Minh nói chung Những người đã tận tâm giảng dạy, truyền đạt chochúng em những kiến thức quan trọng và cả lời khuyên chân thành trong suốt thờigian học vừa qua.

Đặt biệt, cảm on sâu sắc đến thầy ThS Nguyễn Duy Xuân Bách và ThS Phạm

Minh Quân, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cũng như định hướng, góp ý và

cung cấp nhiều kiến thức cần thiết cho nhóm trong suốt thời gian thực hiện khóa luậntốt nghiệp

Kết quả khóa luận tốt nghiệp là quá trình cô gắng và nỗ lực của nhóm, tuynhiên với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của nhóm thì nhữngthiết sót là điều không thê tránh khỏi, vì vậy nhóm rất mong nhận được những ý kiếnđánh giá khách quan, những góp ý chân thành từ quý thầy cô dé từ đó nhóm có thêrút ra những kinh nghiệm quý báu cho bản thân và hoàn thành khóa luận tốt nghiệpvới kết quả tốt nhất

Cuôi cùng, nhóm đê tài gửi lời cảm ơn đên ba mẹ và anh chi, bạn bẻ đã luôn

quan tâm, động viên, ủng hộ nhóm trong suôt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường.

Sinh viên thực hiện

Trần Phước Tan

Nguyễn Hoàng Phúc

MỤC LỤC

Chương 1 GIỚI THIỆU DE TÀI - 2-2 s E*E£+EE+EE+EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkerkerkee 2

LL Lý do chọn đề tài - +5e + SkEEỀE2E121212112111121 11111111111 Ecye 2

1.3 Các nội dung chính và kết quả mong đợi - + 22sz+cs+zs+zxzsez 2

1.4 Các sản pham có sẵn hiện nay trên thị trường - 2-2 s2 s52 3

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYYÊTT 2-2 ®++E+2E2EE2EE+EESEEEEEEEEEEEEEEEeEEerkerxee 4

2.1 Giới thiệu về Bluetooth -. ¿52 2+2k+SE£EE2EE£EEEEEEEEEEEEEErkkerkerkerkrree 4

2.1.1 — Khái niệm 22.25522522 2E Errrrrerrrrey 4

2.1.2 Lịch sử hình thành và phat triển 2-2-2 5++z+£e+£e+zxerxcred 4

2.1.3 Ứng dụng của Bluetooth -©¿+c2+c<+£k+£keEEzErreerkerkerkeee 6

2.1.4 Giới thiệu về BLE 52- 55c S5c222EeEkerkerkrrrrrerrerkervees 62.2 Giới thiệu về vi xử lý ARM -©2- 222k 2 2222121122121 cckrrree 7

2.2.1 _ Lịch sử phát triển của ARM ¿ ©2+©c+++cxerxrerxrrreeree 8

2.2.2 — Giới thiệu ARM Cortex o ceccccccsccsccsscecsessessessessessessessessessesssesseeseesess 9

2.8 Google Cloud PÏatÍOTI - <1 11911191119 1119 vn ng ng kp 21

2.8.1 Google Cloud Platform là gi? 00 eee eceecesneeeseeceeeeceseecenneeenneeeaees 21 2.8.2 Các dich vụ chính ccccceecccccccsssssssccececessssecesccesessseeseeeeeesenaeeees 21

2.11.2 Ut điểm của Android -¿-sc©c++cx+zxetxerxrrrxerkrsrxerreee 33

2.11.3 Nhược điểm của Android ccccccccrxeerrrrrtrrrrrrrirrrrree 33

2.11.4 Google Maps Android AIPÏL - -csss xxx key 34Chương 3 HIỆN THỰC HE THNG - 2© E+SE+E£+E£EeEESEEeEEzErkerkeree 35

3.1 Lưu đồ giải thuật toàn hệ thống - 2-2 2+E2+EE+EE+EEerErEezrrrsrrxee 353.2 Thiét ké 00.“ a39< 36

3.2.1 Sơ đồ mach iM o.cceccccccccscsssessesssesssessesssessesssesssessesssesseessessuessecsseesess 38

3.2.2 Luu đồ giải thuật thiẾt bị - eesessesecstesessessesseseseeseens 41

3.2.3 Cải đặt trên mobile app sưng nràp 41

3.2.4 Các trường hop cảnh Đáo - c5 3.13 42

3.2.5 Firebase APÏ - - -cG 1111122111 vn ng ng ket 43

Chương 4 KẾT LUẬN -2- 2c ©5£+E22 E2 EEEEEEEE2E1211211211271 1121.2111 crx 49

SN) .n Ằ Ô 494.2 Hạn chế va hướng phát triễn - ¿+ 2 + x+EE+EEEE+EE+EEerkrrxerkerreee 49

42.1 Han chế KG ⁄/x7øốt À 49

4.2.2 Hướng phat triỂn 2: 5c©c2+E2EESEEEEEeEEerErrrrrkerxee 49

HÌNH 2.12 CLOUD FUNCTIONS NHƯ LA CLOUD GLUE . 29

HÌNH 3.1 LƯU ĐỎ GIẢI THUAT TOAN HE THÓNG -. 2- 552522 35

HÌNH 3.2 SƠ DO KHOI CUA VÒNG DEO TA Y ¿- 255cc cxecxerxereersees 36HÌNH 3.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ¿55t t2t‡2EEv2EEEEt2EEEEEEtekrrrrrrkeo 37

HINH 3.4 KHOI NGUÔN 2¿- 2-52 SS2SE‡EE2EEEEEEEEEEEEEEEErEEkerkrerkrrrrrrrree 38HÌNH 3.5 KHOI CHIP XỬ LÝ TRUNG TÂM, CẢM BIEN VÀ BỘ NHO FLASH

HINH 3.11 GET A DOCUMENT - 2-5 ©Se+EE2EE£EEE£EEtEEEEEEtEEEerkrerkerrrrrrrre

HÌNH 3.12 SET A DOCUMENT -2- 22 +£22++2++£ExtEEvExterxerxeerxerrerrsereHÌNH 3.13 ADD A DOCUMENT - ¿2 5£+SE2+£EEEEEEEEEEEEEEEEEErrrkerrrrrkrreHÌNH 3.14 UPDATE A DOCUMENT - 2-52 s©+£+EE£E£EE2EEtEEevrxezrserrrrrHÌNH 3.15 DELETE DOCUMENTT 2- 5£ +©+£+E++2+++Ex++ExerxeerxevreerseerHÌNH 3.16 CẤU TRÚC DU LIỆU 2-2 +2 ©5£2+£2+++£x+2Exvzx+erxezreersee

DANH MỤC BANG

BANG 2.1 CAC DONG PHAT TRIEN CUA ARM

BANG 3.1 CAU TRÚC DU LIEU -:

DANH MỤC TU VIET TAT

Chữ viết tat Chữ tường minh

BLE Bluetooth Low Energy

ARM Acorn RISC Machine

SoC System-on-Chip

GPS Global Positioning System

AGPS Assisted GPS or Augmented GPS

GCP Google Cloud Platform

LoRa Long Range

TOM TAT KHÓA LUẬN

Vòng đeo tay đo thân nhiệt là một thiết bị kết hợp cảm biến thân nhiệt dưới da, GPSgiúp người dùng có đủ thông tin và các giải pháp đề phòng tránh và đối phó với tình

hình Covid-19 diễn biến phức tạp, góp phần hỗ trợ các cán bộ y tế Từ đó giảm thời

gian, sức lực, cũng như đảm bảo sự an toàn cho người dân.

Bằng cách kết hợp cảm biến với GPS, thiết bị có thể thông báo, thống kê các thông

số nhiệt độ chỉ tiết, cũng như biểu đồ di chuyển và tiếp xúc cho người dùng Ngườidùng sẽ được đưa ra các biện pháp dé giải quyết van đề một cách chính xác và hiệuquả, dé dang khoanh vùng va đưa ra các biện pháp dé giải quyết vùng hay đối với

những đối tượng tiếp xúc gần với ca nghi nhiễm.

Chương 1 GIỚI THIỆU DE TAI

1.1 Lý do chọn đề tài

Với dân số gần 100 triệu người, có đường biên giới dài với Trung Quốc (quốc gia

đầu tiên xuất hiện dịch bệnh COVID-19), Việt Nam là nước có nguy cơ lây nhiễmdịch bệnh rat cao Tuy hiện tại Việt Nam đã và đang kiểm soát được dịch bệnh, mặc

dù vậy, nguy cơ bùng phát vẫn còn, do đó vẫn cần kiểm soát chặt chẽ Trước khi có

vacxin, việc xuất hiện những 6 dịch nhỏ là điều có thé xảy ra Ngoài áp dụng nhữngbiện pháp như “Thông điệp 5K: Khau trang - Khử khuân — Khoảng cách - Khôngtập trung — Khai báo y tế” của bộ y tế thì với vòng đeo tay do thân nhiệt tích hợpcảm biến thân nhiệt, GPS, giúp người dùng có thêm các thông tin và các giải pháp dé

phòng tránh covid dễ dàng hơn.

1.2 Phương pháp thực hiện

© Thiết kế vòng đeo tay tích hợp khả năng kết nối bluetooth với cảm biến đo được

thân nhiệt trên bề mặt da cùng và GPS Thiết bị có thê thông báo, thống kê cácthông số nhiệt độ chỉ tiết, cũng như biểu đồ di chuyên và tiếp xúc cho người dùng

e Xây dựng Server lưu trữ nhiệt độ, tọa độ, thời gian truy xuất dữ liệu của người

dùng.

e Xây dựng ứng dụng đi động dé người dùng có thê kết nối thiết bị, xem thông tin

nhiệt độ, vị trí của mình, cũng như các thống kê về nhiệt độ, và biéu đồ di chuyền

1.3 Các nội dung chính và kết quả mong đợi

e Người dùng có thể nhận được thông tin thời gian thực của các cảm biến nhiệt độ

va gps.

e Biểu đồ thống kê chỉ tiết về nhiệt độ và thông tin di chuyên của người dùng

e Xây dựng được Server dé lưu trữ dữ liệu

e©_ Lập trình ứng dụng di động có đủ các tinh năng cần thiết

e Duara các lời khuyên hữu ich cho người dùng.

1.4 Các sản phẩm có sẵn hiện nay trên thị trường

e Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại vòng đeo tay thông minh, nhưng có ít

các loại vòng đeo tay có tích hợp đo thân nhiệt, hoặc có các thiết bị vòng đeo tay

chỉ có cảm biên đo thân nhiệt mà không kèm các tính năng khác.

e Vì thế vòng deo tay đo thân nhiệt và tracking sẽ là một trong ít các sản phẩm

cạnh tranh trên thị trường, đồng thời cũng làm tăng độ phong phú các sản phẩmvòng đeo tay Đây cũng là một thiết bị cần thiết cho mọi người trong tình hìnhCovid diễn biến phức tạp như hiện nay

Chương2 CƠ SỞ LÝ THUYET

2.1 Giới thiệu về Bluetooth

2.1.1 Khái niệm

Bluetooth là một chuẩn công nghệ truyền thông không dây tầm gần giữa các thiết bịđiện tử Công nghệ này hỗ trợ việc truyền dit liệu qua các khoảng cách ngắn giữa cácthiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng cá nhân không day (Wireless Personal

Area Network-PANs).

Bluetooth có thê đạt được tốc độ truyền dữ liệu 1Mb/s Bluetooth hỗ trợ tốc độ truyền

tai dữ liệu lên tới 720 Kbps trong phạm vi 10 m—100 m Khác với kết nối hồng ngoại(IrDA), kết nối Bluetooth là vô hướng và sử dụng giải tần 2,4 GHz [1]

Ericsson, IBM, Intel, Toshiba và Nokia, sau đó cùng có sự tham gia của nhiều công

ty khác với tư cách cộng tác hay hỗ trợ Bluetooth có chuẩn là IEEE 802.15 I

Theo Bluetooth SIG, hiện có hơn 90% điện thoại smartphone có tinh năng Bluetooth,

bao gồm các hệ điều hành IOS, Android và Windows [1]

Quá trình phát triển:

e Bluetooth 1.0: Tốc độ xấp xi IMbps nhưng gặp nhiều van đề về tính tương thích

e Bluetooth 1.1: Phiên bản sửa lỗi của 1.0 nhưng không có sự thay đổi về tốc độ

e Bluetooth 1.2: Thời gian dò tìm và kết nối giữa các thiết bị được tăng tốc, tốc độ

truyền tải cũng nhanh hon so với chuẩn 1.1

e Bluetooth 2.0 +EDR (Enhanced Data Rate): Được công bố vào tháng 7/2007,

chuẩn mới nay này ổn định hơn và cho tốc độ chia sẻ nhanh hơn đồng thời tiết

kiệm năng lượng khi sử dụng.

Bluetooth 2.1 +EDR: Có những ưu điểm mà bản 2.0 có, ngoài ra Bluetooth 2.1còn có thêm cơ chế kết nối phạm vi nhỏ.

Bluetooth 3.0 + HS (High Speed): Được giới thiệu vào 21/4/2009, chuẩn kết nốinày có tốc độ lý thuyết lên đến 24Mbps Những thiết bị hỗ trợ Bluetooth 3.0 nhưngkhông có +HS sẽ không đạt được tốc độ trên Tuy tốc độ cao nhưng Bluetooth vẫn

chỉ hỗ trợ nhu cầu chia sẻ nhanh file có dung lượng thấp hay kết nối với loa, tai

nghe

Bluetooth 4.0: Ra mắt thang 6/2010, phiên bản 4.0 là sự kết hợp của “classisBluetooth” ( Bluetooth 2.1 và 3.0 ), tức là vừa truyền tải nhanh lại còn tiết kiệm

năng lượng hơn.

Bluetooth 4.1: Năm 2014, Bluetooth nâng cấp lên ban 4.1 cải thiện tình trạngchồng chéo dữ liệu của Bluetooth với mạng 4G, tối đa hóa hiệu năng nhờ tự điềuchỉnh băng thông, đồng thời tiết kiệm năng lượng hơn nhờ tối ưu thời gian chờ

kết nói lại

Bluetooth 4.2: Là một bản nâng cấp nữa trong năm 2014, cải thiện tốc độ truyền

tải lên đến 2.5 lần so với bản 4.1, tiết kiệm năng lượng hơn, hạn chế lỗi kết nốicũng như bảo mật tốt Đồng thời tính năng quan trọng nhất là hỗ trợ chia sẻ kết

nôi mang internet theo giao thức IPv6.

Bluetooth 5.0: Là thế hệ mới nhất hiện tai được SIG trình làng vào ngày 16/6/2016với nhiều cải tiến vượt bật như tầm phủ sóng rộng gấp 4 lần, tốc độ nhanh hơngấp đôi và tiết kiệm điện hơn gấp 2.5 lần so với 4.0

Bluetooth 5.1: được Bluetooth SIG giới thiệu vào 21/1/2019 Bluetooth 5.1 cung

cấp hai phương pháp tìm hướng: Angle of Arrival (AoA) và Angle of Departure(AoD) Hiện tại, bluetooth chỉ có thể đoán được thiết bị cách bao xa dự vào cường

độ của tín hiệu, ở phiên bản 5.1 này, nó có thể xác định được vị trí chính xác củathiết bị Cải thiện bộ nhớ đệm GATT Tính năng mới Randomized AdvertisingChannel Indexing cho phép kết nối với thiết bị bluetooth khi nó đã sẵn sàng gópphan tiết kiệm pin và thời gian Tính năng Periodic Advertising Sync Transfer chophép các thiết bị chia sẻ dữ liệu kết nối với nhau, néu smartphone đã cài đặt kết

nôi với TV, nó có thê chia sẻ kêt nôi đó với đông hô thông mình đê không cân tôn

điện năng làm điều tương tự Cải tiến này đặc biệt hữu ích cho thiết bị Bluetooth

LE như đồng hồ thông minh, vòng tay thông minh có dung lượng pin hạn chế [2]

Bluetooth 5.2: Bluetooth SIG công bé vào tháng 1 năm 2020 Đây là phiên bản

mới nhất cho đến hiện tại với 3 tính năng được giới thiệu: Kênh đắng thời (ISOC

- Isochronous Channels), Kiểm soát nguồn LE (LEPC - LE Power Control), Giao

thức thuộc tinh nâng cao (EATT- Enhanced Attribute Protocol) [3]

2.1.3 Ứng dụng của Bluetooth

Các ứng dụng nồi bật của Bluetooth gồm:

Điều khiển và giao tiếp không dây giữa một điện thoại di động và tai nghe không

Thay thế các điều khiển dùng tia hồng ngoại

Gửi các các tập tin qua lại các thiết bị đùng Bluetooth khác

Điều khién từ xa cho các thiết bị trò chơi điện tử

Kết nối Internet cho máy tính băng cách dùng điện thoại di động thay modem

Thay thế các giao tiếp nói tiếp dùng dây truyền thống giữa các thiết bị đo, thiết bị

định vị dùng GPS, thiết bị y té, may quét ma vach, va cac thiét bi diéu khién giao

Group (Bluetooth SIG) nhắm vào các ứng dụng mới trong lĩnh vực chăm sóc sức

khỏe, thé dục, an ninh, và ngành công nghiệp giải trí gia đình So với ClassicBluetooth, Bluetooth Low Energy nhằm giảm mức tiêu thụ năng lượng và chi phíđáng kể trong khi vẫn duy trì phạm vi giao tiếp tương tự Các hệ điều hành di động

hỗ trợ sẵn cho Bluetooth Low Energy gồm iOS, Android, Windows Phone và

BlackBerry, cũng như macOS, Linux, Windows 8 và Windows 10 [4]

BLE (Bluetooth 4.0 trở đi) được thiết kế cho các ứng dụng:

e Siêu tiết kiệm năng lượng, cho phép thiết bị hoạt động trong vài tháng hoặc vài

năm chỉ với một viên pin đồng xu (coin-cell battery)

e Khoảng cách ngắn, hoạt động ồn định trong phạm vi 10m.

e Dữ liệu truyền tải không lớn, thích hợp cho các ứng dụng điều khiển không liên

tục, cảm biến.

2.2 Giới thiệu về vi xử lý ARM

Cấu trúc ARM (Acorn RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử lý 32 bit kiểu RISC

(Reduced Instructions Set Computer) được sử dụng rộng rãi trong thiết kế nhúng Do

đặc điểm tiết kiệm năng lượng, các bộ CPU (Central Processing Unit) ARM chiếmđược ưu thé trong các sản phâm điện tử di động, mà các sản phẩm này việc tiêu táncông suất thấp là một mục tiêu thiết kế hàng đầu [5]

2.2.1 Lịch sử phát triển của ARM

Việc thiết kế ARM được bắt đầu từ năm 1983 trong một dự án phát triển của công ty

máy tinh Acorn.

Bang 2.1 Các dòng phát triển của ARM

Kiến trúc Số bit | Tên lõi

ARMvI 32 ARMI

ARMv2 32 ARM2, ARM250, ARM3

ARMv3 32 ARM6, ARM7

ARMv4 32 ARM8

ARMv4T 32 ARMTMDI, ARM9TMDI

ARMvSTE 32 ARM7EJ, ARM9E, ARMI0E

ARMv6 32 ARMII

ARMv6-M 32 ARM Cortex-M0, ARM Cortex-M0+, ARM Cortex-M1

ARMv7-M 32 ARM Cortex-M3

ARMvw7E-.M | 32 ARM Cortex-M4, ARM Cortex-M7

ARMv8-M 32 ARM Cortex-M23, ARM Cortex-M33

ARMv7-R 32 ARM Cortex-R4, ARM Cortex-R5, ARM Cortex-R7,

ARM Cortex-R8

ARMv8-R 32 ARM Cortex-R52

32 ARM Cortex-A5, ARM Cortex-A7, ARM Cortex-A8,

ARMv7-A ARM Cortex-A9, ARM Cortex-A12,

ARM Cortex-A15, ARM Cortex-A17

ARMv8-A 32 ARM Cortex-A32

ARMv8-A 64/32 | ARM Cortex-A35, ARM Cortex-A53,

ARM Cortex-A57, ARM Cortex-A72, ARM Cortex-A73

Trải qua nhiều thé hệ nhưng lõi ARM gần như không thay đổi kích thước ARM2 có

30000 transistors trong khi số lượng transistor của thế hệ ARM6 chỉ tăng lên đến con

số 35000

2.2.2 Giới thiệu ARM Cortex

Dé phù hợp với nhu cầu sử dụng, ARM Cortex được chia làm 3 dòng chính:

e Cortex-A: Bộ xử lý dành cho hệ điều hành và các ứng dụng phức tạp Hỗ trợ tập

lệnh ARM, thumb, và thumb-2.

e Cortex-R: Bộ xử lý dành cho hệ thống đòi hỏi khắc khe về đáp ứng thời gian thực

Hỗ trợ tập lệnh ARM, thumb, và thumb-2.

e_ Cortex-M: Bộ xử lý dành cho dòng vi điều khiến, tối ưu về giá thành Hỗ trợ tập

lệnh Thumb-2 Dong ARM STM32 có lõi Cortex-M.

2.3 SoC

2.3.1 SoC là gì?

System on chip (SoC) là một vi mach (IC) được tích hợp các thành phần của một máytính hoặc các hệ thống điện tử khác Hệ thống SoC có thé bao gồm các khối chức

năng kĩ thuật số (digital), tương tự (analog), tín hiệu kết hợp (mixed-signal) và cả các

khối tần số radio (RF) SoC xuất hiện trong điện thoại di động - một thiết bị điện tử

tiêu tốn ít năng lượng Ứng dụng điển hình của các hệ thống SoC là các hệ thốngnhúng.

SoC tích hợp một vi điều khiển (hoặc một vi xử lí với những ngoại vi như các bộ xử

li đồ họa (GPU: graphics processing unit), module WiFi, hoặc bộ đồng xử lí(coprocessor).

Mot hé thống máy tính điển hình bao gồm một loạt các mạch tích hợp cho phép thực

hiện các nhiệm vụ khác nhau Các mạch tích hợp này có thé là:

e bộ vi xử ly (microprocessor)

e bộ nhớ (RAM, ROM)

e khối truyền thông nối tiếp UART

e các công song song (parallel port)

e khối điều khién truy xuất bộ nhớ trực tiếp (DMA controller)

Sự phát triển gần đây của công nghệ bán dẫn cho phép chúng ta tích hợp ngày càngnhiều thành phần vào một hệ thống trên một vi mạch SoC có thể tích hợp thêm các

khối như: bộ xử lý tín hiệu số, bộ mã hóa, giải mã Viterbi, Turbo tùy theo yêu cau

Các thiết kế SoC thường tiêu tốn ít năng lượng và có giá thành thấp hơn các hệ thống

đa chip nếu so sánh cùng một thiết kế Ngoài ra, hệ thống đơn chip cũng có tính ôn

định cao hơn Các ứng dụng xây dựng trên cơ sở sử dụng các hệ thong đơn chip cũngcho giá thành thấp hơn, không gian chiếm chỗ ít hơn [6] [7]

2.3.2 Nordic nRF52832

nRF52832 là dong IC SoC Bluetooth Low Energy có tích hợp NFC cua Nordic

Semiconductor Nó dưa trên kiến trúc ARM Cortex M4 32bit, có bộ nhớ Flash, bộ

nhớ RAM lớn (512/256 KB Flash, 64/32 KB RAM), công nghệ siêu tiết kiệm năng

lượng, phù hợp cho các ứng dụng BLE, IoT đang sốt hiện nay.

Kit phát triển BLE Bluetooth SoC nRF52832 ARM Cortex M4 có ngoại vi đa

dang day đủ, có thé debug băng JTAG [8]

Thông số kỹ thuật và một số tính năng chính :

e 32 chân GPIO linh hoạt va có thé thiết lập

e Tu động quản lý nguồn điện thông minh

© Có thé lập trình giao tiếp ngoại vi

e_ Day đủ các giao tiếp kỹ thuật số như : SPI,UART, I2S, 2-wire, PDM,

e Điện áp hoạt động: 1.7 V —- 3.6 V

e _ Kích thước 6x6 mm (QFN48).

10

Hình 2.1 Nordic nRF52832

2.4 GPS

2.4.1 GPS là gi?

Hệ thong Dinh vi Toan cau (tiéng Anh: Global Positioning System - GPS) là hệ

thống định vi sử dung vệ tinh, máy thu và các thuật toán dé đồng bộ hóa dữ liệu vị

trí, vận tốc và thời gian cho việc di chuyên trên không, trên biển và trên bộ [9]

2.4.2 Cách thức hoạt động

Vệ tinh GPS xoay quanh Trái Dat hai lần một ngày trong một quỹ đạo chính xác Mỗi

vệ tỉnh truyền một tín hiệu nhất định và các tham số quỹ đạo cho phép các thiết bị

GPS giải mã va tính toán vi trí chính xác của vệ tinh Máy thu GPS sử dụng thông tin

này và phép tam giác đề tính toán vị trí chính xác của người dùng Về cơ bản, máythu GPS đo khoảng cách tới mỗi vệ tinh theo lượng thời gian cần dé nhận tín hiệutruyền đi Với các phép đo khoảng cách từ một vài vệ tinh, máy thu có thé xác định

vị trí của người dùng và hién thị thông tin bằng điện tử để đo tuyến đường đang chạy

của bạn, tìm đường về nhà,

Đề tính toán vị trí 2D của bạn (vĩ độ và kinh độ) và theo dõi chuyển động, máy thuGPS phải khóa được với tín hiệu của ít nhất 3 vệ tinh Với 4 vệ tinh trở lên trongtrong tầm nhìn, máy thu có thể xác định vị trí 3D của ta (vĩ độ, kinh độ và độ cao).Nói chung, một máy thu GPS sẽ theo dõi 8 vệ tinh trở lên, nhưng điều đó phụ thuộcvào thời gian trong ngày và nơi ta dang ở trên Trái Đất Một số thiết bị có thé thực

hiện được tât cả điêu đó từ cô tay của bạn.

11

2.4.3 AGPS

Assisted GPS or Augmented GPS (thường được viết tắt là A-GPS hoặc aGPS) là một

hệ thống để giúp giảm thời gian khởi động và bắt đầu định vị của thiết bị GPS

Các thiết bị GPS bình thường chỉ dựa vào thông tin từ vệ tinh để hoạt động mà thôi

Chúng sẽ mắt tầm 30-40 giây đề có thể định vị được bạn trong lần đầu tiên khởi động

do tốc độ truyền dữ liệu của tín hiệu vệ tin rất chậm Đó là chưa kể nếu tín hiệu vệ

tỉnh bị mat trong lúc đang bat đầu định vi thì thiết bị sẽ phải làm lại khâu này từ đầu,rồi vào trong đô thị thì tín hiệu cũng yếu đi vì các tòa nhà, chưa tính tới điều kiện thời

tiết, khí tượng và thậm chí cây che trên đầu

Đó là lý do người ta làm ra A-GPS, nó sẽ hoạt động nhờ các các server A-GPS được

nhà mạng di động triển khai Các server này có thé xem như bản cache của dữ liệuGPS, nó sẽ lay dit liệu từ vệ tinh và lưu trữ vào cơ sở dit liệu trên mặt đất Khi điệnthoại của bạn truy xuất vào các server này, chúng sẽ lấy được thông tin nhanh hơnnhiều nhờ sử dụng các kết nối 3G, 4G, thậm chí là Wi-Fi Các kết nối này có tốc độ

nhanh hơn nhiêu so với đường truyén vệ tinh.

Như vậy, điện thoại của bạn sẽ lay được thông tin về vị trí của nó một cách gần đúng,tuy chưa chính xác bằng việc lay trực tiếp dữ liệu từ các vệ tinh GPS nhưng cứ định

vị được một khu vực hẹp trong thời gian cực ngắn là đã tốt lắm rồi Từ từ khi tín hiệu

GPS ồn định hon thì điện thoại sẽ tính được vi trí chính xác Tuy nhiên AGPS cần có

internet để có thé hoạt động

2.4.4 GPS L70 Quectel

GPS L70 Quectel có hiệu suất cao cho khả năng định vị chính xác, ứng dụng công

nghiệp với thiết kế nhỏ gọn, tiêu thụ điện cực thấp và khả năng định vị nhanh [10]

Các công nghệ được tích hợp bao gồm:

e Kết hợp AGPS tiên tiến EASY (Embedded Assist System) và công nghệ

AlwaysLocate đã được chứng minh, GPS L70 Quectel đạt được hiệu suất cao nhất

và đáp ứng day đủ các tiêu chuân công nghiệp Công nghệ EASY đảm bảo GPSL70 Quectel có thé tính toán và dự đoán quỹ đạo tự động băng cách sử dụng dữ

12

liệu ephemeris (tối đa 3 ngày) dé lưu trữ trong bộ nhớ RAM nội bộ, do đó, GPS

L70 Quectel định vi một cách nhanh chóng ngay cả ở các mức tín hiệu trong nhà

với mức tiêu thụ năng lượng thấp Với công nghệ AlwaysLocate , L70 có thể điềuchỉnh thời gian bật / tắt dé đạt được sự cân bang giữa độ chính xác vi tri và mứctiêu thụ năng lượng theo điều kiện môi trường và chuyền động

e Tinh năng bé sung chức năng nhúng được gọi là LOCUS cho phép GPS L70

Quectel ghi thông tin vi trí vào bộ nhớ flash bên trong khoảng mặc định là 15 giây

và cung cấp hơn 16 giờ lưu trữ dung lượng

e Tính Năng The Fitness Low Power (FLP) cung cấp giải pháp GPS công suất thấp

cho ứng dụng thé dục Đây là một giải pháp tối ưu cho thiết bi mặc, thé dục vatheo dõi và chỉ tiêu tốn dong điện 5mA

Với thiết kế nhỏ gọn, độ chính xác và độ nhạy cao, GPS L70 Quectel hoàn toàn phù

hợp với nhiều ứng dụng M2M như thiết bị đi động, ô tô, theo dõi cá nhân, bảo mật

và PDA công nghiệp.

Thông số kĩ thuật:

e Kích thước cực kỳ nhỏ gọn: 10,1mm x 9,7mm x 2,5mm

e EASY, công nghệ AGPS tiên tiến không cần bộ nhớ ngoài

e Tiêu thụ điện năng cực thấp ở chế độ theo dõi, 12mA

e AlwaysLocate, một bộ điều khiển thông minh của chế độ tuần hoàn

e LOCUS, một giải pháp ghi nhật ký nhúng không cần máy chủ và flash ngoài

e Độ nhạy cao: 165dBm @ Theo dõi, 148dBm @ Thu nhận

e 66 kênh chuyên đổi, 22 kênh theo dõi

e _ Chế độ FLP, chỉ 5mA khi nhận tĩnh

13

1L70

Hình 2.2 GPS L70 Quectel

L7OBGRO1A04 L70R-M39

2.5 LoRa

LoRa là viết tắt của Long Range được nghiên cứu và phat triển bởi Cycleo và sau nàyđược mua lại bởi công ty Semtech năm 2012 Với công nghệ này, chúng ta có thểtruyền đữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công

suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dir liệu Do đó, LoRa

có thê được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor networktrong đó các sensor node có thê gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và

có thê hoạt động với pin trong thời gian đài [11]

Nguyên lý hoạt động của LoRa:

LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum (CSS) Có thể hiểurằng nguyên lý này 1a dit liệu sẽ được băm bang các xung cao tan dé tạo ra tín hiệu

có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệucao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin

có tần số thay đôi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theothời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên

tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra

anten dé gửi đi

Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần

thiệt của mạch nhận dé có thê giải mã và điêu chê lai dữ liệu; hơn nữa LoRa không

14

cần công suất phát lớn mà vẫn có thé truyền xa vì tín hiệu Lora có thé được nhận ở

khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh

Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau có thêhoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau Điều này cho phépnhiều thiết bị LoRa có thể trao đồi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho

bién nhiét d6 nao yéu cau hiéu qua vé chi phi, độ chính xác cao và tiêu thụ điện năng

thấp, chăng hạn như nodes cảm biến Internet of Things (IoT), nhiệt kế y tế, thiết bi

đo chính xác cao và thiết bị chạy bang pin LMT70 cũng là một sự thay thế tuyệt vời

cho RTD và nhiệt điện trở NTC / PTC chính xác.

Chân đầu ra của nó cho phép nhiều LMT70 chia sẻ một kênh ADC, do đó đơn giảnhóa việc hiệu chuẩn ADC và giảm chi phí hệ thống tông thé cho cảm biến nhiệt độchính xác LMT70 cũng có đầu ra tuyến tính và trở kháng thấp cho phép giao diện

liền mạch với MCU / ADC có sẵn LMT70 có khả năng tự làm nóng cực thấp, hỗ trợ

độ chính xác cao trong phạm vi nhiệt độ rộng [12]

2.7 Các chuẩn giao tiếp

2.7.1 SPI

Chuẩn SPI được phát trién bởi Motorola Đây là một chuẩn đồng bộ nối tiếp dé truyền

dữ liệu ở chế độ song công toàn phan (full — duplex), tức là trong cùng một thời điểm

có thê xảy ra đồng thời quá trình truyền và nhận Đôi khi SPI còn được gọi là chuẩngiao tiếp 4 dây (four-wire)

SPI là giao diện đồng bộ, bất kì quá tình truyền nào cũng được đồng bộ hóa với tín

hiệu clock chung Tín hiệu này sinh ra bởi master.

JIẶNHHHJHHBHĂ5Ă JMWMHJHJĂHHJĂHBHHM

Hình 2.5 Giao thức Master — Slave trong giao tiếp SPI

Cấu hình ghép nối cơ bản trong giao tiếp SPI:

e Cấu hình ghép nối một thiết bị

Hình 2.6 Ghép nối một thiết bị

e Cấu hình ghép nối nhiều thiết bị

17

Trong giao diện SPI có bốn tín hiệu số:

e MOST hay SI - công ra của bên Master (Master Out Slave IN) Đây là chân dành

cho việc truyền tín hiệu từ thiết bị chủ động đến thiết bị di động

e MISO hay SO - công ra bên Slave (Master IN Slave Out) Đây là chân dành cho

viéc truyén dữ liệu từ Slave đến Master.

e SCLK hay SCK là tín hiệu clock đồng bộ (Serial Clock) Xung nhịp chỉ được tạo

bởi Master.

e CS hay SS là tín hiệu chon vi mach (Chip Select hoặc Slave Select) SS sẽ ở mức

cao khi không làm việc Nếu Master kéo SS xuống thấp thì sẽ xảy ra quá trìnhgiao tiếp Chỉ có một đường SS trên mỗi slave nhưng có thê có nhiều đường điều

khiển SS trên master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng

18

Slave 1 Slave 2 Slave 3

Hinh 2.8 Giao tiép I2C

2.7.2.1 Cấu tao

e I2C bus gồm 2 dây:

=" SCL: Clock signal, xung clock được tạo ra bởi Master chiém quyén kiém

soát bus.

= SDA: Data signal, dùng dé truyền dữ liệu giữa Master va Slave

e Không giống như UART va SPI, I2C bus chỉ có thé kéo về LOW mà không có

HIGH vi dé tránh sự xung đột khi một thiết bị có kéo lên HIGH trong khi đó một

thiết bị khác kéo nó về LOW, đề tránh quá tải trên đường truyền gây hư hỏng thiết

bị.

e_ Với một mạch thông thường ta chọn trở kéo lên là 4k7 cho mạch giao tiếp có tam

xa khoảng 3m và ít thiết bị, néu tăng độ dài giao tiếp và số lượng nhiều thiết bi,

ta nên chọn trở có chỉ số nhỏ hơn sẽ tốt hơn

2.7.2.2 Mức độ tín hiệu

Vì I2C bus không cho thiết bị kéo mức logic lên HIGH nên I2C cho phép các thiết bị

có mức điện áp khác nhau kết nôi được với nhau (ví dụ 5v và 3.3v).

19

2.7.2.3 Phương thức giao tiếp

e_ Tín hiệu giao tiếp phải tuân theo 1 chuẩn giao tiếp nhất định dé được thiết bị xem

như là 1 giao tiếp I2C hợp lệ

e Di liệu trong I2C được chia ra làm 2 phần: Phần đầu là địa chỉ nơi mà Master xác

định Slave nào cần nhận message và phần sau là đữ liệu data cần truyền Dữ liệuđịa chỉ gồm 8bit được truyền từ Master -> Slave và ngược lại

e Dữ liệu được truyền vào SDA sau khi SCL ở mức LOW, thời gian giữa cạnh clock

và dữ liệu đọc/viết được quy định bởi thiết bị và ở mỗi loại chip

2.7.3 UART

Tx

UART Communication

Hình 2.9 Giao tiếp UART

e UART là một ngoại vi cơ bản, dùng trong các quá trình giao tiếp với các module

như: Xbee, Wifi, Bluetooth Khi giao tiếp UART kết hợp với các IC giao tiếp

như MAX232CP, SP485EEN sẽ tạo thành các chuẩn giao tiếp RS232, RS485.Day là các chuẩn giao tiếp thông dụng và phô biến trong công nghiệp từ trước đến

nay.

e Khi sử dụng chân UART_CLK thì giao tiếp UART sẽ trở thành giao tiếp đồng bộ

và khi không dùng sẽ là chuẩn giao tiếp không đồng bộ Với bất kỳ chuẩn truyềnthông nào, khi có sử dụng một chân tín hiệu làm chân CLK (Clock) thì chuẩn giaotiếp đó sẽ là chuẩn giao tiếp đồng bộ và ngược lại

20