Báo cáo đồ án tốt nghiệp Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằngremote IR và bằng điện thoại android”.

Đây là đồ án tốt nghiệp về thiết kế xe điều khiển từ xa bằng Bluetooth và sóng hồng ngoại, xe có thể được điều khiển vào chế độ tự động chạy theo kế hoạch đã định hoặc là điều khiển di chuyển thay đổi liên tục . Xe có cách tính năng: đi thẳng, trái , phải, lùi, dò đường , tránh vật cản

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, hệ thống điều khiển đóng một vai trò quan trọng trong việc pháttriển và sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật công nghệ, văn minh hiện đại Thực tế mỗikhía cạnh của hoạt động hằng ngày đều bị chi phối bởi một vài loại hệ thống điềukhiển Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ thuật không gian và

hệ thống vũ khí, điểu khiển máy tính, các hệ thống giao thông, hệ thống nănglượng, robot…

Trong sinh hoạt hàng ngày của con người như những trò chơi giải trí (robot,

xe điều khiển từ xa…) cho đến những ứng dụng gần gũi với con người cũng đượccải tiến cho phù hợp với việc sử dụng và đạt mức tiện lợi nhất Việc điều khiển từ

xa đã thâm nhập vào tất cả các lĩnh vực của cuộc sống

Chính vì tầm quan trọng của lĩnh vực Đo Lường Và Điều Khiển Tự Động,nhóm em đã mạnh dạn lựa chọn đề tài “Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằngremote IR và bằng điện thoại android”

Chúng em xin chân thành cảm ơn các tất cả các Thầy Cô Giáo trong nhàtrường, nhất là các Thầy Cô Giáo trong viện Điện Tử Viễn Thông của trường Đạihọc Bách Khoa Hà Nội đã tận tình dạy dỗ chúng em trong suốt thời gian qua

Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo TS.NGUYỄN NGỌC VĂN.

Người đã nhiệt tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho chúng em hoànthành đồ án này

Xin cảm ơn tất cả các bạn bè đã đóng góp ý kiến và giúp đỡ chúng tôi tronglúc thực hiện đồ án này

Xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Với mục đích chính thực hiện tự động hóa đo lường và điều khiển chúng em

đã quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằng Remote

IR (Infrared Receiver) và điện thoại android”

Ngoài ra khi thực hiện đề tài này, không chỉ điều khiển xe mô hình từ xa,chúng em muốn sử dụng công nghệ, thiết bị phổ biến trong thế giới hiện đại ngàynay vào việc điều khiển, cụ thể là sử dụng các dòng Smartphone chạy trên hệ điềuhành Android

Sau khi thực hiện đồ án em đã rút ra được những kết luận quan trọng:

Rút ra được những ưu và nhược điểm của mỗi phương pháp điều khiển từxa

So sánh được khả năng điều khiển từ xa của hai phương pháp điều khiểnbằng sóng hồng ngoại (remote IR) và điều khiển bằng sóng Bluetooth qua điệnthoại android

Hệ điều hành android và phần mềm android được sử dụng trong mọi ứngdụng của đời sống, nhất là trong thời đại công nghệ phát triển

ABSTRACT

With the main purpose of implementing automated measurement andcontrol, we have decided to make the subject: designing remote-controlled modelswith remote IR and Android phones

Furthermore, when making this subject, not only do we control remotemodel cars but we also would like to use technology and popular devices in today’smodern world to control, specifically to use the Smartphone that runs on theAndroid operating system

Affter the implemntation of the project we have drawn importantconclusions:

Compara the remote control capability of two mothods of control: withinfrared (remote IR) and with Bluetooth wave through Android phones

The Android OS and the Android software are in all applications of life, especially in this era of technological development

Mục lục

Danh sách hình vẽ 6

Danh sách bảng biểu 8

Danh mục từ viết tắt 9

PHẦN MỞ ĐẦU 12

i Giới hạn đề tài 12

ii Mục đích nghiên cứu 13

iii Quá trình thực hiện 13

iv Chỉ tiêu kỹ thuật 15

CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 17

1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển từ xa 17

1.1.1 Một số vấn đề cơ bản trong hệ thống điều khiển từ xa 18

1.1.2 Phương pháp mã hóa trong điều khiển từ xa 18

1.2 Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại 19

1.2.1 Lý thuyết sóng hồng ngoại IR 19

1.2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại nói chung 20

1.3 Điều khiển từ xa bằng Bluetooth 23

1.3.1 Công nghệ truyền thông không dây Bluetooth 23

1.3.2 Các vấn đề bảo mật trong công nghệ Bluetooth 25

1.3.3 Các khái niệm trong công nghệ Bluetooth 27

1.3.4 Định nghĩa các liên kết vật lý trong Bluetooth 29

1.3.5 Trạng thái của thiết bị Bluetooth 30

1.3.6 Các chế độ kết nối 30

1.3.7 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số trong công nghệ Bluetooth 31

1.3.8 Cách thức hoạt động của Bluetooth 34

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU HỆ ĐIỀU HÀNH VÀ GIAO TIẾP NGOẠI VI 40

2.1 Khối xử lý trung tâm MCU ATMEGA328 40

2.1.1 Giới thiệu MCU ATMEGA328 40

2.1.2 Thông số kĩ thuật chính của ATMEGA328 40

2.1.3 Cấu hình chân của vi điều khiển ATMEGA328 41

2.1.4 Sơ đồ khối của ATMEGA328 42

2.1.5 Lập trình cho vi điều khiên ATMEGA328 43

2.2 Cảm biến sóng siêu âm đo và tính toán khoảng cách: SRF05 45

2.2.1 Giới thiệu SRF05 45

2.2.2 Thông số kỹ thuật 45

2.2.3 Giản đồ xung hoạt động của SRF05: 46

2.3 Điều khiển từ xa bằng hồng ngoại 47

2.3.1 Remote hồng ngoại 47

2.3.2 Mắt thu hồng ngoại 48

2.3.3 Sơ đồ khối: 49

2.4 Module Bluetooth HC05 51

2.4.1 Giới thiệu về Bluetooth HC05 51

2.4.2 Cơ chế hoạt động 52

2.4.3 Điều khiển Robot Car bằng điện thoại android bằng HC05 53

2.5 Module dò đường 54

2.6 Hệ điều hành android 55

2.6.1 Giới thiệu về android 55

2.6.2 Lịch sử hình thành 56

2.6.3 Tính năng android 58

2.6.4 Kiến trúc hệ điều hành android 59

2.6.5 Chu kỳ ứng dụng trên android 62

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 68

3.1 Phân tích và xác định yêu cầu 68

3.1.1 Mục đích của đề tài: 68

3.1.2 Yêu cầu thiết kế 68

3.1.3 Yêu cầu kết quả 68

3.2 Xây dựng thuật toán 69

3.2.1 Thuật toán tổng thể 69

3.2.2 Thuật toán điều khiển từng chức năng cụ thể 70

3.2.3 Thuật toán tính khoảng cách 70

3.2.4 Thuật toán dò đường 71

3.3 Thiết kế phần cứng 72

3.3.1 Sơ đồ khối chức năng 72

3.3.2 Sơ đồ khối hoạt động: 74

3.3.3 Sơ đồ nguyên lý của thiết kế và các module trong thiết kế 76

3.3.4 Sơ đồ mạch in thiết kế 79

3.4 Xây dựng phần mềm trên android 80

3.4.1 Lưu đồ thuật toán 80

3.4.2 Giao diện ứng dụng 80

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI 83

4.1 Các kết quả đạt được 83

4.1.1 Kết quả 83

4.1.2 Hình ảnh của sản phẩm 84

4.1.3 Hoạt động của sản phẩm 84

4.1.3 Các kết luận rút ra được 86

4.2 Đinh hướng đề tài: 87

KẾT LUẬN 91

Tài liệu tham khảo 92

Danh sách hình vẽ

Hình 1.1: Quang phổ của các nguồn sóng hồng ngoại 19

Hình 1.2: Sơ đồ máy phát 21

Hình 1.3: Sơ đồ khối máy thu 22

Hình 1.4: Kiến trúc Piconet trong Bluetooth 28

Hình 1.5: Một Scatternet gồm 2 Piconet 29

Hình 1.6: Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số 32

Hình 1.7: Các packet truyền trên các tần số khác nhau 32

Hình 1.8: Các packet truyền trên khe thời gian 33

Hình 1.9: Cấu trúc gói tin buletooth 33

Hình 1.10: Cấu tạo một packet 34

Hình 1.11: Mô hình piconet 36

Hình 1.12: Quá trình truy vấn tạo kết nối 37

Hình 1.13: Quá trình truy vấn tạo kết nối 37

Hình 1.14: Truy vấn tạo kết nối giữa các thiết bị trong thực tế 38

Hình 1.15: Ví dụ về mô hình satternet 38

Hình 2 1: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của ATEMEGA328 40

Hình 2 2: Hình ảnh thực tế của SRF05 46

Hình 2 3: Giản đồ xung của SRF05 46

Hình 2 4: Hình ảnh thực tế Remote hồng ngoại 47

Hình 2 6: Sơ đồ chân mắt thu hồng ngoại 48

Hình 2 7: Sơ đồ hoạt động khối phát hồng ngoại 49

Hình 2 8: Sơ đồ hoạt động khối thu hồng ngoại 49

Hình 2 9: Cấu trúc sóng mang hồng ngoại 50

Hình 2 10: Truyền dữ liệu 50

Hình 2 11: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của HC-05 51

Hình 2 12: Hình ảnh thực tế module dò đường 54

Hình 2 13: Cảm biến hồng ngoại CTRT5000 55

Hình 2 14: Logo android 56

Hình 2 15: Android timeline 56

Hình 2 16: Mô hình kiến trúc nền tảng hệ điều hành Android 59

Hình 2 17: Mô hình hợp tác giữa máy ảo Dalvik và Navite code 62

Hình 2 18: Activity Stack 63

Hình 2 19: Chu kỳ sống của Activity 64

Hình 3 1: Thuật toán điều khiển 69

Hình 3 2: Sơ đồ sắp xếp vị trí 3 cảm biến CTRT5000 71

Hình 3 3: Sơ đồ khối chức năng của mạch 72

Hình 3 4: Sơ đồ khối hoạt động của mạch 74

Hình 3 5: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 76

Hình 3 6: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 76

Hình 3 7: Sơ đồ nguyên lý module điều khiển động cơ 77

Hình 3 8: Sơ đồ nguyên lý khối ATMEGA328 78

Hình 3 9: Sơ đồ nguyên lý module SRF05 78

Hình 3 10: Sơ đồ mạch in của thiết kế 79

Hình 3 11: Sơ đồ thuật toán trên android 80

Hình 3 12: Giao diện khởi động của ứng dụng 80

Hình 3 13: Giao diện lúc bật Bluetooth 81

Hình 3 14: Giao diện hiển thị danh sách thiết bị tìm được 81

Hình 3 15: Giao diện lúc kết nối và sau khi kết nối thành công 82

Hình 4 1: Hình ảnh sản phẩm thiết kế 84

Hình 4 2: Điều khiển xe rà phá bom mìn từ xa (ảnh minh họa) 88

Hình 4 3: Xe dò đường có gắn camera (ảnh minh họa) 88

Hình 4 4: Xe cần cẩu đòi hỏi tính chính xác cao (ảnh minh họa) 89

Hình 4 5: Xe có gắn camera điều khiển qua wifi (ảnh minh họa) 89

Danh sách bảng bi

Bảng 1 1: Các phiên bản Bluetooth 24

Y Bảng 2 1: Thông số kỹ thuật ATEMEGA328 41

Bảng 2 2: Thông số kỹ thuật SRF05 45

Bảng 2 3: Bảng mã các nút nhấn Remote tương ứng với các chức năng 47

Bảng 2 4: Thông số kỹ thuật HC-05 52

Bảng 2 5: Dữ liệu gửi từ android tới HC05 53

Bảng 2 6: Các phiên bản hệ điều hành android 57

Bảng 3 1: Giá trị các motor tương ứng với các chức năng 70

Bảng 3 2: Bảng giá trị đầu ra các cảm biến tương ứng với các trường hợp 72

Bảng 4 1: So sánh 2 phương pháp điều khiển 86

Là kỹ thuật điều chế trải phổ

ISM Industrial Scientific Medical Dãy băng tần không cần đăng ký:

2.4-2.48GHzFEC Forward Error Correction Kỹ thuật sửa lỗi tiến

BEC Backward Error Control Kỹ thuật sửa lỗi ngược

LMP Link Manament Protocol Giao thức quản lý kết nối

SDK Software Developement Kit Bộ công cụ phát triển phần mềmGSM/

EDGE

Global System for Mobile Communications/ Enhanced Data Rates for GSM

Evolution

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

IDEN Integrated Digital Enhanced

Network

Công nghệ viễn thông di động phát triền mới Motorola

CDMA Code Division Multiple

Access

Đa truy cập phân chia theo mã

EV-DO EVolution-Data Optimized Tiêu chuẩn truyền băng thông rộng vô

tuyyeens cho các thiết bị không dâyUTMS Universal Mobile

Telecommunications Systems

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

A2DP Advanced Audio Distribution

Profile

Là một trong những chế

độ Bluetooth hỗ trợ ĐTDĐ khả năng phát ra âm thanh chuẩn stereo

AVRCP Audio/Video Remote Control

CSS3 Cascading Style Sheets Là những file hỗ trỡ trình duyệt web

trong việc hiển thị HTMLHE-AAC High-Efficiency Advanced

Audio Coding

Mã hóa âm thanh tiên tiến

JPEG Joint Photographic Experts

Group

Là một trong những phương pháp nén ảnh hiệu quả, có tỷ lệ nén ảnh tới vài chục lần Tuy nhiên chất lượng ảnh bị suy giảm sau khi giải nén

PNG Portable Network Graphic Là một dạng hình ảnh sử dụng phương

pháp nén dữ liệu mới - không làm mất

đi dữ liệu gốc

GIF Graphics Interchange Format là một định dạng tập tin hình ảnh

bitmap cho các hình ảnh dùng ít hơn

256 màu sắc khác nhau và các hoạt hình dùng ít hơn 256 màu cho mỗi khung hình

MIDI Musical Instrument Digital

Interface

Giao diện kỹ thuật số dành cho nhạc cụ

GPS Global Positioning System Hệ thống Định vị Toàn cầu

API Application Programming

Interface

Giao diện lập trình ứng dụng

JNI Java Native Interface Bộ framework cho phép mã lệnh viết

bằng Java

PHẦN MỞ ĐẦU

Điều khiển từ xa là việc điều khiển một mô hình ở một khoảng cách nào đó

mà con người không nhất thiết trực tiếp đến nơi, trực tiếp điều khiển hệ thống.Khoảng cách đó tùy thuộc vào từng hệ thống có mức độ phức tạp, khác nhau, chẳnghạn như việc điều khiển từ xa một phi thuyền ta cần có hệ thống phát và thu mạnh,ngược lại để điều khiển một trò chơi điện tử từ xa ta chỉ cần một hệ thống phát vàthu yếu hơn…

Chính vì vậy với đề tài: “Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằng remote

IR và bằng điện thoại android” chúng em muốn giải quyết các vấn đề sau:

 Thực hiện đo lường khoảng cách giữa xe đến vật cản bằng sóng siêu âm

 Thiết kế khối điều khiển xe với các chức năng cơ bản: rẽ trái, rẽ phải,tiến, lùi, dừng lại

 Thực hiện tự động tránh vật cản với khoảng cách cho trước dựa trênkhoảng cách đo được

 Thực hiện dò đường dựa vào tiêu chí màu sắc của đường đi, thông quacảm biến hồng ngoại

 Thiết kế phần mềm android điều khiển chuyển động của xe

i Giới hạn đề tài

Lĩnh vực đo lường và điều khiển tự động rất đa dạng về hướng nghiên cứu

Đề tài: “Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằng remote IR và điện thoại android”cũng có rất nhiều khía cạnh nghiên cứu thực hiện Tuy nhiên trong điều kiện:

Thời gian thực hiện 15 tuần

Kinh nghiệm thực tế còn chưa nhiều

Tài liệu nghiên cứu chưa có nhiều tài liệu chuyên sâu

Vì vậy nhóm em thực hiện đề tài với những nội dung sau:

Lập trình bằng Kit Ardiuno trên vi điều khiển ATMEGA328

Thiết kế mạch điều khiển xe mô hình bằng tia hồng ngoại qua Remote vàbằng điện thoại android qua Sóng Bluetooth

Xây dựng chương trình điều khiển trên điện thoại android.

Thực hiện các chức năng điều khiển cơ bản, tự động tránh vật cản, dòđường

ii Mục đích nghiên cứu

Thực hiện đề tài: “Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằng remote IR vàbằng điện thoại android” giúp người thực hiện nắm được lý thuyết về đo lường vàđiều khiển, hiểu được nguyên lý điều khiển, tập lệnh vi điều khiển

Sản phẩm đề tài trước hết có thể để nghiên cứu, mở rộng ứng dụng trongthực tế sản xuất công nghiệp

iii Quá trình thực hiện

 Dàn ý nghiên cứu

 Tia hồng ngoại và điều khiển thiết bị từ xa bằng tia hồng ngoại

 Công nghệ truyền thông không dây tầm gần Bluetooth

 Hệ điều hành android

 Cảm biến trong đo lường: cảm biến sóng siêu âm

 Vi điều khiển ATMEGA328 và các tập lệnh liên quan

 Phần mềm điều khiển chạy trên hệ điều hành android

Báo cáo thể hiện gồm các chương:

 Chương mở đầu: Khái quát về nội dung, mục đích, giới hạn đề tài vàcác phương pháp thực hiện

 Chương 1: Kiến thức tổng quan

 Chương 2: Giới thiệu về hệ điều hành và các giao tiếp ngoại vi sửdụng trong thiết kế

 Chương 3: Thuật toán thực hiện, sơ đồ khối tổng quát và chi tiết, cácbước và quá trình thực hiện

 Chương 4: Kết quả đạt được và các hướng phát triển

 Chương kết luận

Đối tượng thực hiện

 Khối xử lý tín hiệu và điều khiển: có nhiều phương pháp thực hiện nhưdùng IC cứng, dùng vi điều khiển,… Và trong thiết kế này nhóm em sử dụng viđiều khiển để xử lý tín hiệu và điều khiển toàn bộ hoạt động mạch Vi điều khiểnnhóm em sử dụng là ATMEGA328, vì dòng vi điều khiển này khá là phổ biến, dễthực hiện, tốc độ xử lý nhanh.

 Để thực hiện đo khoảng cách tới vật cản nhóm em sử dụng thiết bị cảmbiến SRF05 Và sử dụng động cơ Servo hỗ trợ chỉnh hướng cho SRF05

 Thiết bị phát hồng ngoại: Remote hồng ngoại

 Thiết bị thu hồng ngoại: Mắt thu 1838T

 Thiết bị phát tín hiệu điều khiển qua sóng Bluetooth: Điện thoạiandroid

 Thiết bị nhận tín hiệu của điện thoại là module Bluetooth HC05

 Thiết bị thu dữ liệu thực hiện chức năng dò đường là module hồngngoại dò đường

 Khối chấp hành là module động cơ L298

Phương pháp thực hiện

 Tìm hiểu về lý thuyết liên quan

 Viết và thực hiện các chương trình nhỏ, các bài ví dụ trên vi điềukhiển ATMEGA328 để làm quen với kiến trúc và tập lệnh của vi điều khiển

 Xây dựng thuật toán đo khoảng cách và điều khiển

 Viết chương trình thực hiện thuật toán bằng Kit arduino

 Viết ứng dụng chạy trên hệ điều hành android thực hiện điều khiển.Ứng dụng viết trên phần mềm eclipse SDK 4.4.2

 Mô phỏng, thi công mạch

Thời gian thực hiện

 Tìm hiểu lý thuyết: 2 tuần

 Xây dựng thuật toán: 4 tuần

 Viết chương trình: 3 tuần

 Mô phỏng, sửa mã nguồn: 2 tuần

 Thi công mạch: 2 tuần

 Viết báo cáo: 2 tuần

Phân công công việc:

Bảng 1: Phân chia công việc

thoại android qua sóng Bluetooth

Lê Văn Thành Tuần 4-7 Hoàn

Lê Văn Thành Tuần 8-10 Hoàn

thành

Xây dựng mã nguồn ứng dụng android

Lê Văn ThànhTrần Văn Thuấn

Trần Văn Thuấn Tuần 13-15 Hoàn thành

iv Chỉ tiêu kỹ thuật

a Sản phẩm

Kích thước: cỡ dài.rộng.cao <= 25.15.10 (cm3)

Khung nhựa, sử dụng 3 bánh chuyển động

Tốc độ: trung bình khoảng 30 cm/s

Xây dựng được mạch điều khiển xe mô hình sử dụng chip ATMEGA328

Xe mô hình điều khiển được bằng 2 phương pháp:

 Điều khiển bằng Remote bằng sóng hồng ngoại (IR).

 Điều khiển bằng điện thoại android qua sóng Bluetooth

b Phần mềm android điều khiển

Giao diện thân thiện, dễ sử dụng

Dung lượng cài đặt thấp, phù hợp với các phiên bản android hiện hành

c Các chức năng điều khiển

Đo khoảng cách tới vật cản: khoảng cách lớn nhất đo được 3 mét

Thực hiện các chức năng cơ bản: Stop, Tiến, Lùi, Trái, Phải

Tự động tránh vật cản với khoảng cách cho trước: 13 cm

Thực hiện chức năng dò đường (di chuyển theo tín hiệu phản hồi từ cảmbiến)

Trong đó yêu cầu từng chức năng như sau:

Điều khiển bằng Remote:

 Khoảng cách điều khiển: 3m

 Các chức năng điều khiển: Trái, Phải, Stop, Tiến, Tự động tránh vậtcản, Dò đường

 Tốc độ di chuyển: Do đề tài thực hiện với xe mô hình (khối lượng khánhỏ có thể bỏ qua), nên tốc độ di chuyển xe không bị ảnh hưởng bởi gia tốc xe Vậntốc trung bình là 30cm/s

 Độ trễ tín hiệu đạt được: 0.5s

Điều khiển bằng Android qua sóng Bluetooth

 Khoảng cách điều khiển: 8 mét

CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển từ xa

Hệ thống điều khiển từ xa là một hệ thống cho phép ta điều khiển các thiết bị

từ một khoảng cách xa Ví dụ hệ thống điều khiển bằng vô tuyến, hệ thống điềukhiển bằng tia hồng ngoại, hệ thống điều khiển từ xa bằng Bluetooth, hệ thống điềukhiển từ xa bằng cáp quang, dây dẫn

Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa nói chung bao gồm:

 Thiết bị phát: biến đổi lệnh điều khiển thành tin tức và phát đi, ở trongthiết kế này nhóm em sử dụng thiết bị phát là Remote hồng ngoại đối với phươngpháp điều khiển qua sóng hồng ngoại và thiết bị phát là điện thoại Android vớiphương pháp điều khiển qua sóng bluetooth

 Đường truyền: đưa tín hiệu điều khiển từ thiết bị phát đến thiết bị thu.Trong thiết kế nhóm em sử dụng 2 đường truyền là sóng hồng ngoại và sóngbluetooth

 Thiết bị thu: nhận tín hiệu điều khiển từ đường truyền, qua quá trình biếnđồi, biến dịch để tái hiện lại lệnh điều khiển rồi đưa đến các thiết bị thi hành Trongthiết kế của nhóm em thì thiết bị thu là mắt thu hồng ngoại 1838T và moduleBluetooth HC05

Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa

Nhiệm vụ cơ bản của các hệ thống điều khiển từ xa:

 Phát tín hiệu điều khiển

 Sản sinh ra xung hoặc hình thành các xung cần thiết

 Tổ hợp xung thành mã

 Phát tổ hợp mã tới điểm chấp hành

Thiết bị thuĐường truyền

Thiết bị phát

 Ở điểm chấp hành (thiết bị thu) sau khi nhận được mã phải biến đổi các

mã nhận được thành các lệnh điều khiển và đưa đến các thiết bị đồng thời kiểm tra

sự chính xác của mã mới nhận

1.1.1 Một số vấn đề cơ bản trong hệ thống điều khiển từ xa

Do hệ thống điều khiển từ xa có những đường truyền dẫn xa nên ta phải nghiên cứu về kết cấu hệ thống để đảm bảo tín hiệu được truyền đi chính xác và nhanh chóng theo những yêu cầu sau:

1.1.1.2 Về kế cấu hệ thống

Để đảm bảo các yêu cầu về kết cấu tin tức, hệ thống điều khiển từ xa có các yêu cầu sau:

 Tốc độ làm việc nhanh

 Thiết bị phải an toàn, tin cậy

 Kết cấu phải đơn giản

Hệ thống điều khiển từ xa có hiệu quả cao là hệ thống đạt tốc độ điều khiển cực đại, đồng thời đảm bảo độ chính xác trong phạm vi cho phép

1.1.2 Phương pháp mã hóa trong điều khiển từ xa

Trong hệ thống truyền thông tin rời rạc hoặc truyền thông tin liên tục nhưng

đã được rời rạc hóa tin tức thường phải được biến đổi thông qua một phép biến đổithành số (thường là nhị phân) rồi mã hóa và được phát đi từ thiết bị phát.Ở thiết bịthu, các tín hiệu phải thông qua các phép biến đổi ngược lại với các phép biến đổitrên: giải mã, liên tục hóa,…

1.2 Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại

1.2.1 Lý thuyết sóng hồng ngoại IR

1.2.1.1 Khái niệm

Ánh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy đượcbằng mắt thường, có bước sóng khoảng 0.8m đến 0.9m, tia hồng ngoại có vậntốc truyền bằng vận tốc ánh sáng

Tia hồng ngoại có thể truyền đi được nhiều kênh tín hiệu Nó ứng dụng rộngrãi trong công nghiệp Lượng thông tin có thể đạt được tới 3Mbit/s … Trong kỹthuật truyền tin bằng sợi quang dẫn không cần các trạm khuếch đại giữa chừng,người ta có thể truyền một lúc 15000 điện thoại hay 15 kênh truyền hình qua mộtsợi tơ quang với đường kính 0.13mm với khoảng cách 10Km đến 20Km Lượngthông tin được truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần

Tia hồng ngoại dễ hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém Trong điều khiển từ

xa, tia hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng do đó phải thu đúng hướng

1.2.1.2 Nguồn phát sáng hồng ngoại và phổ của nó

Các nguồn sóng nhân tạo thường có nhiều sóng hồng ngoại Hình dưới cho taquang phổ của các nguồn phát sáng này

Hình 1.1: Quang phổ của các nguồn sóng hồng ngoại

Trong đó: IRED: Diode hồng ngoại

LA: laser bán dẫn

LR: đèn huỳnh quang

Q: bóng đèn thủy tinh.

W: bóng đèn điện với dây tiêm volfram

PT: phototransistor

1.2.1.3 Linh kiện thu sóng hồng ngoại

Người ta dùng quang điện trở, phototransistor, photodiode để thu sóng hồngngoại gần Để thu sóng hồng ngoại trung bình và xa phát ra từ cơ thể người, vậtnóng… Loại detector với vật liệu Lithiumtitanat hay tấm chất dẻo Polyviny-Lidendifluorid (PVDF) Cơ thể người phát ra tia hồng ngoại với độ dài sóng từ 8msđến 10ms

1.2.1.4 Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại

a Ưu điểm:

 Không dây dẫn

 Led phát và thu nhỏ, gọn dễ thiết kế lắp đặt và có độ tin cậy cao

 Áp cung cấp thấp, công suất tiêu tán nhỏ

 Điều khiển được nhiều thiết bị

 Tính khả thi cao, linh kiện dễ tìm thấy và thi công dễ

b Nhược điểm:

 Tầm xa bị hạn chế

 Dòng điện cao tức thời

 Nhiều hồng ngoại do các nguồn nhiệt xung quanh ta phát ra, nên có ảnhhưởng và hạn chế tầm phát Do đó chỉ dùng trong phòng, kho và nơi ít bị ảnh hưởngcủa nhiệt độ môi trường

 Hạn chế khi bị vật cản nên không thể truyền được xa

1.2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại nói chung 1.2.2.1 Máy phát

Hình 1.2: Sơ đồ máy phát

Giải thích sơ đồ máy phát:

Máy phát có nhiệm vụ tạo ra lệnh điều khiển, mã hóa và phát tín hiệu đếnmáy thu lệnh truyền đi đã được điều chế

Khối phát lệnh điều khiển: khối này có nhiệm vụ tạo ra lệnh điều khiển

từ nút nhấn (phím điều khiển) Một khi phím nhấn được ấn tức là một lệnh đã đượcphát ra Các nút nhấn có thể là một nút, hay ma trận nút Ma trận phím được bố trítheo cột và hàng Lệnh điều khiển được đưa đến bộ mã hóa dưới dạng các bit nhịphân tương ứng với từng phím điều khiển

Khối mã hóa: để truyền các tín hiệu khác nhau đến máy thu mà chúng

không lẫn lộn nhau, ta phải tiến hành mã hóa các tín hiệu (lệnh điều khiển) Khối

mã hóa này có nhiệm vụ biến đổi các lệnh điều khiển thành các bit nhị phân, hiệntượng biến đổi này gọi là mã hóa Có nhiều phương pháp mã hóa khác nhau:

 Điều chế biên độ xung

 Điều chế vị trí xung

 Điều chế độ rộng xung

 Điều chế mã xung

Trong kỹ thuật điều khiển từ xa dùng tia hồng ngoại, phương pháp điều chế

mã xung thường được sử dụng nhiều hơn cả, vì phương pháp này tương đối đơngiản, dễ thực hiện

Dạo động tạo sóng

mang

 Khối dao động tạo sóng mang: khối này có nhiệm vụ tao ra sóng mang

có tần số ổn định, sóng mang này sẽ mang tín hiệu điều khiển khi truyền ra môitrường

 Khối điều chế: khối này có nhiệm vụ kết hợp với tín hiệu điều khiển đã

mã hóa sóng mang để đưa đến khối khuếch đại

 Khối khuếch đại: khuếch đại tín hiệu đủ lớn để led phát hồng ngoại phát

ra môi trường

 Led phát: biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu hồng ngoại phát ra ngoài

môi trường

1.2.2.2 Máy thu

Hình 1.3: Sơ đồ khối máy thu

Giải thích sơ đồ khối máy thu:

Chức năng của máy thu là thu được tín hiệu điều khiển từ máy phát, loại bỏsóng mang, giải mã tín hiệu điều khiển thành các lệnh riêng biệt, từ đó mỗi lệnh sẽđưa đến khối chấp hành cụ thể

Led thu: thu tín hiệu hồng ngoại do máy phát truyền tới và biến đổi thành

tín hiệu điều khiển

Khối khuếch đại: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điều khiển lớn lên từ

Led thu hồng ngoại để quá trình xử lý tín hiệu được dễ dàng

Khối tách sóng mang: khối này có chức năng triệt tiêu sóng mang, chỉ

giữ lại tín hiệu điều khiển như tín hiệu gửi đi từ máy phát

Khuếch đại

Tách sóng

Khuếch đạiMạch chấp

hành

Khối giải mã: giải mã tín hiệu điều khiển thành các lệnh điều khiển dưới

dạng các bit nhị phân hay các dạng khác để đưa đến khối chấp hành cụ thể Do đónhiệm vụ của khối này là rất quan trọng

Khối chốt: có nhiệm vụ giữ nguyên trạng thái tác động khi tín hiệu điều

khiển không còn, điều này có nghĩa là khi phát lệnh điều khiển ta chỉ tác động vàophím ấn 1 lần, trạng thái chỉ thay đổi khi ta tác động vào nút khác thực hiện lệnhđiều khiển khác

Khối khuếch đại: khuếch đại tín hiệu điều khiển đủ lớn để tác động vào

mach chấp hành

Khối chấp hành: có thể là role, một linh kiện điều khiển nào đó, đây là

khâu cuối cùng tác động trực tiếp vào thiết bị thực hiện nhiệm vụ điều khiển mongmuốn

1.3 Điều khiển từ xa bằng Bluetooth

1.3.1 Công nghệ truyền thông không dây Bluetooth

Logo Bluetooth là sự kết hợp của 2 ký tự Rune cổ: (Hagall) và (Bjarkan)tương đương với 2 ký tự H và B trong chữ Latin là viết tắt của Harald Bluetooth

Sau đó, Bluetooth được liên minh Bluetooth SIG với các thành viên chính lànhững hãng sản xuất phần cứng lớn nhất thời bấy giờ như Nokia, Ericsson, Intel,IBM, Toshiba… “chuẩn hóa” và công bố phiên bản đầu tiên vào năm 1998 [2].

Bluetooth

2.0 + ERD

Là phiên bản nâng cấp sau Bluetooth 1.0 được nâng cấp tốc độ truyền tải lên 2.1 Mbs cùng với chế độ truyền tải mới ERD (enhanced data rate) Phiên bản 2.1 được nângcấp về tốc độ truyền tải nhưng lại hạn chế trên thiết bị sửdụng do ERD chỉ là chế độ tùy chọn, một số nhà sản xuất đã không đưa chế độ này vào sản phẩm của mình

để giảm chi phí sản xuất [1]

Bluetooth

2.1+ ERD

Được nâng cấp từ Bluetooth 2.0 vào năm 2007 với thay đổi quan trọng như hiệu năng cao hơn, giảm điện năng tiêu thụ Phiên bản này được sử dụng trên các thiết bị như điện thoại di động, laptop, tai nghe … Tuy nhiên, Bluetooth 2.1 vẫn chưa cho người dùng truyền tải các tập tin có dung lượng lớn [1]

Bluetooth

3.0 + HS

Năm 2009 buetooth 3.0 ra đời với thay đổi lớn về tốc độ truyền tải, đạt 24Mbps ở phiên bản này các thiết bị có thể tương tác dễ dàng với nhau hơn, có thể tự dò tìm các thiết bị ở gần [1]

Bluetooth

4.0

Là sự kết hợp của các đời Bluetooth trước đó với nhau

Bluetooth 4.0 đạt tốc độ truyền tải lên đến 25Mbps, dễ dàng ghép đôi các thiết bị với nhau, hiệu năng tiêu thụ

thấp Đây là chuẩn Bluetooth được sử dụng trên hầu hết các thiết bị hiện nay [1].

Bluetooth v4.2 được phát hành vào 02 tháng 12, năm

2014 Nó giới thiệu một số tính năng quan trọng cho IOT (internet of things) Một số tính năng, chẳng hạn như dữ liệu chiều dài mở rộng, yêu cầu cập nhật phần cứng.Tuy nhiên, một số phần cứng Bluetooth cũ cóthể nhận được một số tính năng Bluetooth v4.2, chẳng hạn như cập nhật bảo mật thông qua firmware

1.3.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của điều khiển từ xa qua Bluetooth

a Ưu điểm:

 Tiêu thụ năng lượng thấp

 Cho phép ứng dụng được nhiều loại thiết bị cầm tay và điện thoại diđộng

 Giá thành ngày một giảm

 Khoảng cách giao tiếp cho phép giữa 2 thiết bị kết nối có thể lên đến100m

 Sử dụng băng tần 2.4GHz, tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới 1Mbps màcác thiết bị không cần phải trực tiếp thấy nhau

 Tính tương thích cao và được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng nhưphần mềm hỗ trợ

b Nhược điểm:

Khoảng cách kết nối còn ngắn so với công nghệ mạng không dây khác

Chỉ kết nối được 2 thiết bị với nhau, không kết nối được thành mạng

1.3.2 Các vấn đề bảo mật trong công nghệ Bluetooth

1.3.2.1 Bảo mật

Khi sử dụng công nghệ buletooth, chắc hẳn mọi người ai cũng quan tâm đếnvấn đề bảo mật của nó Tùy thuộc vào cách nó được cấu hình mà công nghệ

Bluetooth có thể khá an toàn, tuy nhiên nhiều thiết bị Bluetooth có số lượng ngắncác chữ số sử dụng trong mã PIN có thể gây nguy hiểm cho các thiết bị này.

Nếu ai đó có thể phát hiện ra thiết bị Bluetooth của bạn, thì người này hoàntoàn có khả năng gửi các tin nhắn không yêu cầu và lạm dụng dịch vụ Bluetoothhoặc xâm nhập hay sửa đổi dữ liệu của bạn Các virut hoặc các mã nguy hiểm kháccũng có thể lợi dụng công nghệ này để làm hại thiết bị Nếu đã bị xâm nhập, dữ liệucủa bạn có thể sẽ bị sửa đổi, làm tổn hại hay bị đánh cắp hoặc mất

1.3.2.2 Phương pháp bảo vệ

 Vô hiệu hóa Bluetooth khi không sử dụng chúng Trừ khi bạn kích hoạtviệc truyền tải thông tin từ thiết bị này đến một thiết bị khác, nếu không bạn nên vôhiệu hóa công nghệ này để tránh những người không hợp lệ có thể xâm nhập

 Sử dụng Bluetooth trong chế độ ẩn – khi kích hoạt Bluetooth- hãy đặt nótrong trạng thái “không thể phát hiện “ Chế độ ẩn nhằm ngăn chặn các thiết bị khácnhận ra thiết bị của bạn Điều này không ngăn cản bạn kết nối đến các thiết bịBluetooth khác Thậm chí cả hai cũng có thể nhận ra nhau để kết nối nếu chúngcùng trong chế độ ẩn Các thiết bị như điện thoại di động và tai nghe không dây cầnphải đặt trong chế độ “ không phát hiện “ kết nối ban đầu thì chúng luôn nhận rathiết bị kia mà không cần tìm kiếm lại kết nối nữa cho lần tiếp theo

 Cẩn thận với những nơi sử dụng Bluetooth Cần phải quan tâm đến môitrường khi ghép đôi thiết bị của bạn hoặc hoạt động trong chế độ có thể phát hiện

 Đánh giá các thiết lập bảo mật Hầu hết các thiết bị đều có nhiều đặc tínhgiúp trang bị cần thiết cho bản thân, vô hiệu hóa bất kỳ tính năng hoặc các kết nốikhông cần thiết có thể Kiểm tra các thiết lập, thiết lập bảo mật đặc biệt và lựa chọncác tùy chọn cần thiết đối với bạn mà không gây ra mức rủi ro cao

 Khai thác triệt để các tùy chọn bảo mật Tìm hiểu kỹ các tùy chọn bảomật mà thiết bị Bluetooth của bạn có thể cung cấp, từ đó khai thác triệt để nhữngtính năng tác dụng của chúng như sự mã hóa và thẩm định

1.3.3 Các khái niệm trong công nghệ Bluetooth

số kênh truyền thông Mỗi Piconet có một kiểu hopping duy nhất

1.3.3.2 Slaver Unit: là thiết bị gửi yêu cầu tới Master

Là tất cả các thiết bị còn lại trong piconet, một thiết bị không là Master thìphải là Slave Tối đa 7 Slave dạng Active và 255 Slave dạng Parked (Inactive) trong

1 Piconet Có 3 dạng Slave trong một Piconet:

Active: Slave hoạt động, có khả năng trao đổi thông tin với Master và cácSlave Active khác trong Piconet Các thiết bị ở trạng thái này được phân biệt thôngqua 1 địa chỉ MAC (Media Access Control) hay AMA (Active Member Address) -

đó là con số gồm 3 bit Nên trong 1 Piconet có tối đa 8 thiết bị ở trạng thái này (1cho Master và 7 cho Slave)

Standby: Standby là một dạng inactive, thiết bị trong trạng thái này khôngtrao đổi dữ liệu, sóng radio không có tác động lên, công suất giảm đến tối thiểu đểtiết kiệm năng lượng, thiết bị không có khả năng dò được bất cứ mã truy cập nào

Có thể coi là những thiết bị trong nằm ngoài vùng kiểm soát của Master

Parked: là một dạng inactive, chỉ 1 thiết bị trong 1 Piconet thường xuyênđược đồng bộ với Piconet, nhưng không có 1 địa chỉ MAC Chúng như ở trạng thái

"ngủ" và sẽ được Master gọi dậy bằng tín hiệu "beacon" (tín hiệu báo hiệu) Cácthiết bị ở trạng thái Packed được đánh địa chỉ thông qua địa chỉ PMA (PackedMember Address) Đây là con số 8 bits để phân biệt các packed Slave với nhau và

có tối đa 255 thiết bị ở trạng thái này trong 1 Piconet

1.3.3.3 Piconet

Picotnet là tập hợp các thiết bị được kết nối thông qua kỹ thuật Bluetooththeo mô hình Ad-Hoc (đây là kiểu mạng được thiết lập cho nhu cầu truyền dữ liệuhiện hành và tức thời, tốc độ nhanh và kết nối sẽ tự động huỷ sau khi truyền xong).Trong 1 Piconet thì chỉ có 1 thiết bị là Master Đây thường là thiết bị đầu tiên tạokết nối, nó có vai trò quyết định số kênh truyền thông và thực hiện đồng bộ giữa cácthành phần trong Piconet, các thiết bị còn lại là Slave Đó là các thiết bị gửi yêu cầuđến Master [3]

Lưu ý rằng, 2 Slave muốn thực hiện liên lạc phải thông qua Master bởichúng không bao giờ kết nối trực tiếp được với nhau, Master sẽ đồng bộ các Slave

về thời gian và tần số Trong 1 Piconet có tối đa 7 Slave đang hoạt động tại 1 thờiđiểm

Các mô hình Piconet:

Minh hoạ một Piconet gồm nhiều Slave:

Hình 1.4: Kiến trúc Piconet trong Bluetooth

nó sẽ chuyển quyền cho 1 Slave khác giàu tài nguyên hơn, mạnh hơn, bởi vì trong 1piconet thì Clock và kiểu Hopping đã được đồng bộ nhau sẵn.

Ví dụ một Scatternet:

Hình 1.5: Một Scatternet gồm 2 Piconet

1.3.4 Định nghĩa các liên kết vật lý trong Bluetooth

Asynchronous connectionless (ACL): được thiết lập cho việc truyền dữliệu, những gói dữ liệu cơ bản (primarily packet data) Là một kết nối point-to-multipoint giữa Master và tất cả các Slave tham gia trong piconet Chỉ tồn tại duynhất một kết nối ACL Chúng hỗ trợ những kết nối chuyển mạch gói (packet-switched connection) đối xứng và không đối xứng Những gói tin đa khe dùng ACL

link và có thể đạt tới khả năng truyền tối đa 723.2 kbps ở một hướng và 57.6 kbps ởhướng khác [4][5] Master điều khiển độ rộng băng tầng của ACL link và sẽ quyếtđịnh xem trong một piconet một slave có thể dùng băng tầng rộng bao nhiêu.Những gói tin broadcast truyền bằng ACL link, từ master đến tất cả các slave Hầuhết các gói tin ACL đều có thể truyền lại.

Synchronous connection-oriented (SCO): hỗ trợ kết nối đối xứng, chuyểnmạch (circuit-switched), point-to-point giữa một Master và một Slave trong 1piconet Kết nối SCO chủ yếu dùng để truyền dữ liệu tiếng nói Hai khe thời gianliên tiếp đã được chỉ định trước sẽ được dành riêng cho SCO link Dữ liệu truyềntheo SCO link có tốc độ 64kbps Master có thể hỗ trợ tối đa 3 kết nối SCO đồngthời SCO packet không chứa CRC (Cyclic Redundancy Check) và không bao giờtruyền lại Liên kết SCO được thiết lập chỉ sau khi 1 liên kết ACL đầu tiên đượcthiết lập [3]

1.3.5 Trạng thái của thiết bị Bluetooth

Có 4 trạng thái chính của 1 thiết bị Bluetooth trong 1 piconet:

Inquiring device (inquiry mode): thiết bị đang phát tín hiệu tìm thiết bịBluetooth khác

Inquiry scanning device (inquiry scan mode): thiết bị nhận tín hiệu inquirycủa thiết bị đang thực hiện inquiring và trả lời

Paging device (page mode): thiết bị phát tín hiệu yêu cầu kết nối với thiết

Sniff mode: là 1 chế độ tiết kiệm năng lượng của thiết bị đang ở trạng tháiactive Ở Sniff mode, thiết bị slave lắng nghe tín hiệu từ mạng với tần số giảm hay

nói cách khác là giảm công suất Tần số này phụ thuộc vào tham số của ứng dụng.Đây là chế độ ít tiết kiệm năng lượng nhất trong 3 chế độ tiết kiệm năng lượng.

Hold mode: là 1 chế độ tiết kiệm năng lượng của thiết bị đang ở trạng tháiactive Master có thể đặt chế độ Hold mode cho slave của mình Các thiết bị có thểtrao đổi dữ liệu ngay lập tức ngay khi thoát khỏi chế độ Hold mode Đây là chế độtiết kiệm năng lượng trung bình trong 3 chế độ tiết kiệm năng lượng

Park mode: là chế độ tiết kiệm năng lượng của thiết bị vẫn còn trong mạngnhưng không tham gia vào quá trình trao đổi dữ liệu (inactive) Thiết bị ở chế độPark mode bỏ địa chỉ MAC, chỉ lắng nghe tín hiệu đồng bộ hóa và thông điệpbroadcast của Master Đây là chế độ tiết kiệm năng lượng nhất trong 3 chế độ tiếtkiệm năng lượng

1.3.7 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số trong công nghệ Bluetooth

1.3.7.1 Khái niệm:

Bluetooth sử dụng kỹ thuật vô tuyến được gọi là trải phổ nhảy tần số(Frequency Hopping Spectrum-FHSS), chia nhỏ dữ liệu được gửi đi và truyền từngkhúc dữ liệu lên 79 tần số Trong dạng cơ bản của nó, sự điều chế là sự đánh tínhiệu dịch tần số Gausse (GFSK) Nó đạt được tốc độ truy cập là 1Mbs, tốc độ truycập tối đa của nó có thể lên đến 3Mbs Bluetooth hoạt động ở dải tần 2.4GHz

Truyền trải phổ là kỹ thuật truyền tín hiệu sử dụng nhiều tần số cùng 1 lúc(DSSS-Direct Sequence Spead Spectrum) hoặc luân phiên FHSS để tăng khả năngchống nhiễu, bảo mật và tốc độ truyền dữ liệu

Trải phổ nhảy tần số là kỹ thuật phân chia giải băng tần thành một tập hợpcác kênh hẹp và thực hiện việc truyền tín hiệu trên các kênh đó bằng việc nhảy tuần

tự qua các kênh theo một thứ tự nào đó

Hình 1.6: Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số

1.3.7.2 Kỹ thuật nhảy tần số trong công nghệ Bluetooth

Giải băng tần ISM 2.4GHz được chia thành 79 kênh, với tốc độ nhảy là 1600lần trong một giây, điều đó có thể tránh được nhiễu tốt và chiều dài của các packetngắn lại, tăng tốc độ truyền thông Hầu hết các nước dùng 79 bước nhảy, mỗi bướcnhảy cách nhau 1MHz, bắt đầu ở 2.402GHz và kết thúc ở 2.480GHz Ở một vàinước, chẳng hạn như Pháp, Nhật phạm vi của dải băng tần này được giảm còn 23bước nhảy [4]

Hình 1.7: Các packet truyền trên các tần số khác nhau

Hình 1.8: Các packet truyền trên khe thời gian

 Việc truyền nhận sử dụng các khe thời gian Chiều dài 1 khe thời gianthông thường là 625µs Một packet thường nằm trong khe đơn, nhưng cũng có thể

mở rộng ra 3 hay 5 khe, yêu cầu tần số phải không đổi cho đến khi toàn bộ packetgửi xong [4][5]

 Sử dụng packet đa khe, tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nhờ phần headercủa mỗi packet chỉ đòi hỏi 1 lần 220µs Có thể hiểu ngắn gọn là thời gian truyền 3packets đơn khe sẽ lớn hơn thời gian truyền 1 packet 3 khe Bù lại, trong môitrường có nhiều tín hiệu truyền, các packet dài chiếm nhiều timeslot dễ bị nhiều hơn

do đó dễ bị mất hơn [4]

 Mỗi packet chứa 3 phần : Access Code, Header, Payload[4]:

Hình 1.9: Cấu trúc gói tin buletooth

 Kích thước của access code và header là cố định (hình 1.10) [4]

Access Code: Gồm 72bits, dùng trong việc đồng bộ dữ liệu, định danh, báo hiệu

Header :

Hình 1.10: Cấu tạo một packet

Trong header có 54 bits:

3 bits được dùng trong việc định địa chỉ, do đó có tối đa 7 Active Slave

4 bits tiếp theo cho biết loại packet

1 bits điều khiển luồng

1 bits ARQ: cho biết packet là Broadcast không có ACK

1 bits Sequencing: lọc bỏ những packet trùng do truyền lại

8 bits HEC: kiểm tra tính toàn vẹn của header

Tổng cộng có 18 bits, các bit đó được mã hóa với 1/3 FEC (Forward ErrorCorrection) để có được 54 bits

 PayLoad: phần chứa dữ liệu truyền đi, có thể thay đổi từ 0 tới2744bit/packet Payload có thể là dữ liệu data hoặc voice

1.3.8 Cách thức hoạt động của Bluetooth

1.3.8.1 Cơ chế truyền và sửa lỗi

Kỹ thuật Bluetooth thực sự là rất phức tạp Nó dùng kỹ thuật nhảy tần sốtrong các timeslot (TS), được thiết kế để làm việc trong môi trường nhiễu tần sốradio, Bluetooth dùng chiến lược nhảy tần để tạo nên sức mạnh liên kết truyềnthông và truyền thông thông minh Cứ mỗi lần gửi hay nhận một packet xong,Bluetooth lại nhảy sang một tần số mới, như thế sẽ tránh được nhiễu từ các tín hiệukhác

So sánh với các hệ thống khác làm việc trong cùng băng tần, sóng radio củaBluetooth nhảy tần nhanh và dùng packet ngắn hơn Vì nhảy nhanh và packet ngắn

sẽ làm giảm va chạm với sóng từ và các phương tiện gây nhiễu khác trong khíquyển.

Có 3 phương pháp được sử dụng trong việc kiểm tra tính đúng đắn của dữliệu truyền đi:

 Forwad Error Corrrection: thêm 1 số bit kiểm tra vào phần Header hayPayload của packet

 Automatic Repeat Request: dữ liệu sẽ được truyền lại cho tới khi bênnhận gửi thông báo là đã nhận đúng

 Cyclic Redundancy Check: mã CRC thêm vào các packet để kiểm chứngliệu Payload có đúng không

Bluetooth dùng kỹ thuật sửa lỗi tiến FEC (Forward Error Correction) để sửasai do nhiễu tự nhiên khi truyền khoảng cách xa FEC cho phép phát hiện lỗi, biếtsửa sai và truyền đi tiếp (khác với kỹ thuật BEC-Backward Error Control chỉ pháthiện, không biết sửa, yêu cầu truyền lại)

Giao thức băng tần cơ sở (Baseband) của Bluetooth là sự kết hợp giữachuyển mạch và chuyển đổi packet Các khe thời gian có thể được dành riêng chocác packet phục vụ đồng bộ Thực hiện bước nhảy tần cho mỗi packet được truyền

đi Một packet trên danh nghĩa sẽ chiếm 1 timeslot, nhưng nó có thể mở rộng chiếmđến 3 hay 5 timeslot

Bluetooth hỗ trợ 1 kênh dữ liệu bất đồng bộ, hay 3 kênh tín hiệu thoại đồng

bộ nhau cùng một lúc, hay 1 kênh hỗ trợ cùng lúc dữ liệu bất đồng bộ và tín hiệuđồng bộ

1.3.8.2 Quá trình hình thành piconet

Hình 1.11: Mô hình piconet

Một Piconet được tạo bằng 4 cách:

Có Master rồi, Master thực hiện Paging để kết nối với 1 Slave

Một Unit (Master hay Slave) lắng nghe tín hiệu (code) mà thiết bị của nótruy cập được

Khi có sự chuyển đổi vai trò giữa Master và Slave

Khi có một Unit chuyển sang trang thái Active

Để thiết lập một kết nối mới, tiến trình INQUIRY hay PAGE sẽ bắt đầu.Tiến trình Inquiry cho phép 1 Unit phát hiện các Unit khác trong tầm hoạt độngcùng với địa chỉ và đồng hồ của chúng

Tiến trình Paging mới thực sự là tạo kết nối Kết nối chỉ thực hiện giữanhững thiết bị mang địa chỉ Bluetooth Unit nào thiết lập kết nối sẽ phải thực hiệntiến trình paging và tự động trở thành Master của kết nối

Trong tiến trình paging, có thể áp dụng vài chiến lược paging Có một chiếnlược paging bắt buộc tất cả các thiết bị Bluetooth đều phải hỗ trợ, chiến lược dùngkhi các Unit gặp trong lần đầu tiên, và trong trường hợp tiến trình paging theo ngaysau tiến trình inquiry Hai Unit sau khi kết nối nhờ dung chiến lược bắt buộc này,sau đó có thể chọn chiến lược paging khác

Sau thủ tục Paging (PAGE), Master thăm dò Slave bằng cách gửi packetPOLL thăm dò hay packet NULL rỗng theo như Slave yêu cầu.

Chỉ có Master gửi tín hiệu POLL cho Slave, ngược lại không có

Các vai trò của thiết bị trong Piconet là:

Stand by: Không làm gì cả

Inquiry: Tìm thiết bị trong vùng lân cận

Paging: Kết nối với 1 thiết bị cụ thể

Connecting: Nhận nhiệm vụ

Hình 1.12: Quá trình truy vấn tạo kết nối

Hình 1.13: Quá trình truy vấn tạo kết nối

Mô hình truy vấn các thiết bị trong thực tế [4]

Hình 1.14: Truy vấn tạo kết nối giữa các thiết bị trong thực tế

Khi thiết bị tạo paging muốn tạo các kết nối ở các tầng trên, nó sẽ gửi yêucầu kết nối host theo nghi thức LMP (Link Manament Protocol) Khi Unit quản lýhost này nhận được thông điệp, nó thông báo cho host biết về kết nối mới Thiết bị

từ xa có thể chấp nhận (gửi thông điệp chấp nhận theo nghi thức LMP) hoặc khôngchấp nhận kết nối (gửi thông điệp không chấp nhận theo nghi thức LMP)

Khi thiết bị không yêu cầu bất kỳ thủ tục thiết lập liên kết từ xa nào cả, nó sẽgửi thông điệp "thiết lập hoàn thành" Thiết bị này vẫn nhận được yêu cầu từ cácthiết bị khác Khi một thiết bị khác đã sẵn sàng tạo liên kết, nó cũng gửi thông điệp

"thiết lập hoàn thành" Sau đó 2 thiết bị có thể trao đổi packet trên kênh logic khácvới LMP

1.3.8.3 Quá trình hình thành Scatternet

Hình 1.15: Ví dụ về mô hình satternet

Một Master hay Slave của Piconet có thể trở thành Slave của Piconnet khácnếu bị Master nếu bị Master của Piconet khác thực hiện tiến trình paging với nó.Hay nói cách khác là bất kỳ Unit nào cũng có thể tạo 1 Piconet mới bằng cáchpaging một Unit đã là thành viên của một Piconet nào đó Ngược lại, bất kỳ Unitnào tham gia trong một Piconet, đều có thể thực hiện paging lên Master hay Slavecủa piconet khác Điều này chính là nguyên nhân dẫn tới việc có thể chuyển đồi vaitrò giữa Master và Slave trong một kết nối.

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU HỆ ĐIỀU HÀNH VÀ GIAO

TIẾP NGOẠI VI2.1 Khối xử lý trung tâm MCU ATMEGA328

2.1.1 Giới thiệu MCU ATMEGA328

ATMEGA328 tên đầy đủ là ATMEGA328P-PU là vi điều khiển thuộc họAVR của hãng Atmel Atmega328 thường được dùng làm nhân của bo mạchArduino Trong đồ án này chúng em sử dụng chip atmega328 đã nạp sẵn bootloader

để thuận tiện hơn cho việc viết code Bootloader Arduino cho phép gửi mã chươngtrình cho ATmega328 thông qua giao thức Serial (dùng cổng COM) mà không yêucầu phải có 1 bộ nạp ROM đặc biệt nào cả Để lập trình cho Atmega328 nhóm emdùng ngôn ngữ lập trình C

Hình 2 1: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của ATEMEGA328

2.1.2 Thông số kĩ thuật chính của ATMEGA328

ATMEGA328 có 28 chân, trong đó có 14 chân số đóng vai trò ngõ vào/ra –Digital Input/Output 6 chân đóng vai trò ngõ vào tương tự (Analog Input)

Trong đó MCU ATMEGA328 có các thông số kỹ thuật chính sau: