Thiết kế hệ thống giao tiếp giữa điện thoại androi với arduino thông qua module bluetooth

Thiết kế hệ thống giao tiếp giữa điện thoại androi với arduino thông qua module bluetooth ,Thiết kế hệ thống giao tiếp giữa điện thoại androi với arduino thông qua module bluetooth ,Thiết kế hệ thống giao tiếp giữa điện thoại androi với arduino thông qua module bluetooth ,Thiết kế hệ thống giao tiếp giữa điện thoại androi với arduino thông qua module bluetooth

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ Ô TÔ VÀ HỆ THỐNG CẢM BIẾN

 BÁO CÁO KẾT THÚC MÔN HỌCTHIẾT KẾ HỆ VI XỬ LÝ NHÚNG

Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIAO TIẾP GIỮA ĐIỆN THOẠI

ANDROID VỚI ARDUINO THÔNG QUA BLUETOOTH

Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Duyệt Phạm Ngọc Hùng

Vũ Văn Linh

Hoàng Văn Nam

Lê Văn Thanh

Lớp : KTĐ-ĐT K12B

THÁI NGUYÊN 12/ 2016

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin được gửi lời cảm ơn tới Thầy Phạm Quốc Thịnh đã tạo điều kiện cho nhóm em làm đề tài này Sau thời tìm hiểu và nghiên cứu đề tài nhóm em đến nay cơ bản đã hoàn thành Có được thành quả đó, ngoài sự cố gắng nỗ lực của cả nhóm còn phải kể đến sự giúp đỡ rất lớn từ thầy giáo Phạm Quốc Thịnh người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp tài liệu, kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu cho nhóm em trong suốt thời gian làm đề tài Qua đây em xin được bày tỏ

lòng biết ơn sâu sắc, kính chúc thầy luôn mạnh khoẻ và công tác tốt

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 4

1.1 Tổng quan về đề tài 4

1.1.1 Giới thiệu 4

1.1.2 Mục tiêu 4

1.1.3 Ý nghĩa thực tiễn 4

1.2 Công nghệ blutelooth và module bluetooth 4

1.2.1 Công nghệ bluetooth 4

1.2.2 Module Bluetooth HC05 7

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 9

2.1 Phân tích hệ thống 9

2.1.1 Phương pháp nghiên cứu 9

2.1.2 Phân tích yêu cầu 9

2.2 Thiết kế hệ thống 11

2.2.1 Mô tả hệ thống 11

2.2.2 Thiết kế phần cứng 11

2.2.3 Thết kế phần mềm 14

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 18

3.1 Kết quả thu được 18

3.2 Kiểm nghiệm hoặt động của hệ thống 19

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

PHỤC LỤC 23

DANH MỤC HÌNH ẢN

Hình 1.1 Ứng dụng của công nghệ Bluetooth 7Y

Hình 2.1 Hình ảnh thực tế module bluetooth HC-05 10

Hình 2.2 Mô tả hệ thống 11

Hình 2.3 Sơ đồ khối của hệ thống 12

Hình 2.4 Hình ảnh nguyên lý 13

Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán của phần mềm điều khiển trên điện thoại 14

Hình 2.6 Lưu đồ thuật toán của mạch điều khiển 15

Hình 2.7 Hình ảnh trên giao diện app inventor 1 16

Hình 2.8 Hình ảnh giao diện app inventor 2 16

Hình 2.9 Hình ảnh sau khi hoàn thành giao diện 1 Hình 3.1 Mạch phần cứng sau khi hoàn thành 18

Hình 3.2 Phần mềm điều khiển thiết bị trên điện thoại android 1 Hình 4.1 Các khối lệnh appinventor viết cho chương trình điện thoại trên 25

Hình 4.2 Hình ảnh mạch in 26

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU1.1 Tổng quan về đề tài

1.1.1 Giới thiệu

Hiện nay điện thoại thông minh ngày càng phổ biến, hệ điều hành Android đượcxây dựng và phát triển liên tục với các chia sẻ về mã nguồn mở, việc sử dụngSmartPhone để điều khiển, giám sát thiết bị đang là một xu hướng Chúng em quyếtđịnh thực hiện đề tài: “Thiết kế hệ thống giao tiếp giữa điện thoại android với arduinothông qua bluetooth”

Chúng em nghiên cứu về hệ điều hành Android, cách thức giao tiếp, điều khiển

và thu thập dữ liệu từ các thiết bị qua Bluetooth Từ đó chúng em đi xây dựng phầnmềm điều khiển chạy trên điện thoại Android Chúng em cũng thiết kế một phần cứng

là một bộ điều khiển có thể điều khiển thiết bị điện 220VAC khác nhau Kết quả của

đề tài là một hệ thống hoàn thiện gồm phần mềm và phần cứng có thể sử dụng trongcác hộ gia đình, các phòng nghiên cứu, nhà thông minh

1.1.2 Mục tiêu

Mục tiêu của đề tài trước hết là làm quen với việc điều khiển thiết bị từ xa cơ bản

là giao tiếp giữa điện thoại android với Arduino thông qua Bluetooth, từ đó có thế cảitiến xây dựng các hệ thống điều khiển phức tạp hơn bằng cách thức khác

1.1.3 Ý nghĩa thực tiễn

Giúp nhóm em làm quen với lĩnh vục điều khiển thiết bị từ xa làm quen vớiBluetooth, đồng thời có thể góp những thành quả nghiên cứu của đề tài này để tạo nềntảng cho sự phát triển sâu hơn

1.2 Công nghệ blutelooth và module bluetooth

1.2.1 Công nghệ bluetooth

1.2.1.1 Khái niệm

Bluetooth là một đặc tả công nghiệp cho truyền thông không dây tầm gần giữa cácthiết bị điện tử Công nghệ này hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn

giữa các thiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng cá nhân không dây (WirelessPersonal Area Network-PANs).

Công nghệ Bluetooth là một công nghệ dựa trên tần số vô tuyến và bất cứ mộtthiết bị nào có tích hợp bên trong công nghệ này đều có thể truyền thông với các thiết

bị khác với một khoảng cách nhất định về cự ly để đảm bảo công suất cho việc phát vànhận sóng Công nghệ này thường được sử dụng để truyền thông giữa hai loại thiết bịkhác nhau Ví dụ: Bạn có thể hoạt động trên máy tính với một bàn phím không dây, sửdụng bộ tai nghe không dây để nói chuyện trên điện thoại di động của bạn hoặc bổsung thêm một cuộc hẹn vào lịch biểu PDA của một người bạn từ PDA của bạn

Bluetooth có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu 1Mb/s Bluetooth hỗ trợ tốc độtruyền tải 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

1.2.1.2 Lịch sử phát triển

Bluetooth được phát triển đầu tiên bởi Ericsson (hiện nay là Sony Ericsson vàEricsson Mobile Platforms), và sau đó được chuẩn hoá bởi Bluetooth Special InterestGroup (SIG) Chuẩn được phát hành vào ngày 20 tháng 5 năm 1999 Ngày nay đượccông nhận bởi hơn 1800 công ty trên toàn thế giới Được thành lập đầu tiên bởi SonyEricsson, IBM, Intel, Toshiba và Nokia, sau đó cùng có sự tham gia của nhiều công tykhác với tư cách cộng tác hay hỗ trợ Bluetooth có chuẩn là IEEE 802.15.1

1.2.1.3 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

- Tiêu thụ năng lượng thấp

- Cho phép ứng dụng được nhiều loại thiết bị bao gồm các thiết bị cầm tay và điệnthoại di động

- Giá thành ngày một giảm

- Khoảng cách giao tiếp cho phép giữa hai thiết bị kết nối có thể lên đến 100m

- Bluetooth sử dụng băng tần 2.4GHz, tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới mức tới đa1Mbps mà các thiết bị không cần phải trực tiếp thấy nhau

- Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng này với mộtứng dụng khác thông qua chuẩn Bluetooth, do đó có thể độc lập về phần cứng cũngnhư hệ điều hành sử dụng

- Tính tương thích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần mềm hỗtrợ.

Nhược điểm:

- Khoảng cách kết nối còn ngắn

- Số lượng kết nối còn hạn chế

- Tốc độ truyền của Bluetooth không cao

- Bị nhiễu bởi một số thiết bị sử dụng sóng radio khác

b Ứng dụng

Bluetooth cho phép kết nối và trao đổi thông tin giữa các thiết bị như điện thoại

di động, điện thoại cố định, máy tính xách tay, PC, máy in, thiết bị định vị dùngGPS, máy ảnh số, và video game console

Các ứng dụng nổi bật của Bluetooth gồm:

 Điều khiển và giao tiếp không dây giữa một điện thoại di động và tainghe không dây

 Mạng không dây giữa các máy tính cá nhân trong một không gian hẹp đòi hỏi ítbăng thông

 Giao tiếp không dây với các thiết bị vào ra của máy tính, chẳng hạnnhư chuột, bàn phím và máy in

 Truyền dữ liệu giữa các thiết bị dùng giao thức OBEX

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

bị định vị dùng GPS, thiết bị y tế, máy quét mã vạch, và các thiết bị điều khiểngiao thông

 Thay thế các điều khiển dùng tia hồng ngoại

 Gửi các mẩu quảng cáo nhỏ từ các pa-nô quảng cáo tới các thiết bị dùngBluetooth khác

 Điều khiển từ xa cho các thiết bị trò chơi điện tử như Wii - Máy chơi trò chơiđiện tử thế hệ 7 của Nintendo[1] và PlayStation 3 của Sony

 Kết nối Internet cho PC hoặc PDA bằng cách dùng điện thoại di độngthay modem

Hình 1 1 Ứng dụng của công nghệ Bluetooth

module sau đó pair với mã PIN là 1234 Sau khi pair thành công, bạn đã có 1 cổngserial từ xa hoạt động ở baud rate 9600

Chế độ MASTER: module sẽ tự động dò tìm thiết bị bluetooth khác (1 modulebluetooth HC-06, usb bluetooth, bluetooth của laptop ) và tiến hành pair chủ động màkhông cần thiết lập gì từ máy tính hoặc smartphone.

+ Tập lệnh AT:

 AT: Lệnh test, nó sẽ trả về OK nếu module đã hoạt động ở Command Mode

 AT+VERSION: trả về firmware hiện tại của module

 AT+UART=9600, 0, 0 (thiết lập baudrate 9600, 1 bit stop, no parity)

1.2.2.2 Các lệnh ở chế độ Master

 AT+RMAAD: ngắt kết nối với các thiết bị đã ghép

 AT+ROLE=1: đặt là module ở master

 AT+RESET: reset lại thiết bị

 AT+CMODE=0: Cho phép kết nối với bất kì địa chỉ nào

 AT+INQM=0,5,5: Dừng tìm kiếm thiết bị khi đã tìm được 5 thiết bị hoặc sau 5s

 AT+PSWD=1234 Set Pin cho thiết bị

 AT+INQ: Bắt đầu tìm kiếm thiết bị để ghép nối

 AT+PAIR=<address>, <timeout>: Đặt timeout(s) khi kết nối với 1 địa chỉ slave

 AT+LINK=<address> Kết nối với slave

1.2.2.3 Các lệnh ở chế độ Slave

 AT+ORGL: Reset lại cài đặt mặc định

 AT+RMAAD: Xóa mọi thiết bị đã ghép nối

 AT+ROLE=0: Đặt là chế độ SLAVE

 AT+ADDR: Hiển thị địa chỉ của SLAVE

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 Phân tích hệ thống

2.1.1 Phương pháp nghiên cứu

- Tham khảo tài liệu: các đề tài liên quan, tìm kiếm thông tin trên Internet

- Tự thiết kế phần cứng và viết phần mềm điều khiển theo các yêu cầu đặt ra (dựavào nhu cầu sử dụng các thiết bị điện thông thường của một hộ gia đình bìnhthường)

- Kiểm tra phần cứng và phần mềm sau đó điều chỉnh các thông số cho phù hợpvới điều kiện thực tế

2.1.2 Phân tích yêu cầu

2.1.2.1 Ứng dụng BlueControl trên điện thoại

- Tìm kiếm, cập nhật các bộ điều khiển nằm trong phạm vi tìm kiếm của thiết bị

sử dụng hệ điều Andorid ngay khi mở ứng dụng

- Có chế độ bảo mật khi muốn kết nối với bộ điều khiển

- Giao diện đẹp, bắt mắt, trực quan và thân thiện với người dùng đồng thời hỗ trợ

Tiếng Việt [4]

2.1.2.2 Bộ điều khiển

- Thiết kế nhỏ gọn, thẩm mỹ

- Giao tiếp với ứng dụng trên thoại qua Bluetooth (truyền nhận dữ liệu)

- Điều khiển ngõ ra bằng nút nhấn trên bộ điều khiển hoặc bằng ứng dụng trênđiện thoại

- Ngõ ra nối với các thiết bị cần điều khiển có điện áp 220VAC, công suất tối đa1000W

2.1.2.3 Ngõ ra

Dùng điện áp 220VAC để cung cấp cho thiết bị Để điều khiển thiết bị có nhiềuphương án thực hiện như relay, Solid State Relay, MOC + Triac, …, tuy nhiên 2phương án được sử dụng nhiều nhất hiện nay là dùng relay và MOC + Triac Trongmạch em sử dụng relay vì có các ưu điểm như: giá thành rẻ, không phát sinh tia lửađiện, không cần nguồn nuôi riêng, tốc độ đáp ứng nhanh, tuổi thọ lớn

2.1.2.4 Khối module Bluetooth

Trên thị trường hiện nay có khá nhiều module Bluetooth hỗ trợ vi điều khiểugiao tiếp với thiết bị khác thông qua kết nối Bluetooth, một số module Bluetooththường được sử dụng trong thực tế như: module Bluetooth HC-05, module BluetoothHC-06, Bluetooth Smart Module, CC2560-PAN1315 (Bluetooth v2.1 + EDRTransceiver Texas Isntruments), WT11i Bluetooth Class 1 Module,… Tuy nhiên,module Bluetooth HC-05 là lựa chọn tối ưu cho đè tài vì: giá thành rẻ hơn so với cácModule khác, tốc độ hoạt động phù hợp với truyền dữ liệu điều khiển thiết bị, đượcnhiều người sử dụng và đánh giá là rất ổn định [1]

Hình 2.1 Hình ảnh thực tế module bluetooth HC-05

Thông số kỹ thuật:

 Điện thế hoạt động của UART 3.3 - 5V

 Dòng điện khi hoạt động: khi Pairing 30 mA, sau khi pairing hoạt động truyềnnhận bình thường 8 mA

 Baudrate UART có thể chọn được: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400,

2.2 Thiết kế hệ thống

2.2.1 Mô tả hệ thống

Hệ thống điều khiển gồm bộ điều khiển với ngõ ra công suất và ứng dụngBlueControl trên điện thoại thông minh nền tảng Android Ứng dụng BlueControl sẽkết nối với bộ điều khiển thông qua Bluetooth để điều khiển thiết bị

2.2.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 2.3 Sơ đồ khối của hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống gồm:

 Khối nguồn: cấp nguồn cho khối điều khiển trung tâm, khối nút nhấn, khối bluetooth, cảm biến nhiệt độ, khối relay và đèn

 Khối điều khiển trung tâm: đọc giá trị của cảm biến nhiệt độ sau đó xử lý và gửilên điện thoại Đồng thời đọc giá trị mức từ nút nhấn và nhận dữ liệu từ điện thoại để bật đèn

 Khối bluetooth: nhận tín hiệu từ điện thoại, truyền giá trị nhiệt độ lên điện thoại

 Khối cảm biến: Đo giá trị nhiệt độ (bẳng cảm biến LM35)

 Khối nút nhấn: Thực hiện bật tắt thiết bị

2.2.2.3 Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.4 Hình ảnh nguyên lýTham khảo thêm phần mạch in ở phần phụ lục [3]

Hình 2.6 Lưu đồ thuật toán của mạch điều khiển

2.2.3.2 Thiết kế giao diện điện thoại:

- App Inventor là một ứng dụng trên nền web giúp bạn có thể tạo ứng dụng Android Ban đầu được cung cấp bởi Google, hiện tại được duy trì bởi Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) [3]

- Sử dụng các khối câu lệnh kéo thả để lập trình cho các đối tượng

Hình 2.7 Hình ảnh trên giao diện app inventor 1

+ Cột thứ nhất là các đối tượng mà bạn sẽ chọn để đưa vào ứng dụng của bạn Nhiệm

vụ các bạn là lựa chọn đối tượng phù hợp rồi kéo sang vùng số 2

+ Cột thứ 2 là cột hiển thị trực quan, là nơi tiếp nhận đối tượng từ mục 1

+ Cột thứ 3 chứa danh sách những đối tượng mà bạn đã dùng

+ Cột thứ 4 là mục thuộc tính của từng đối tượng

Để lập trình tính năng cho các đối tượng các bạn chuyển qua thẻ block nó có giao diện như sau:

Hình 2.8 Hình ảnh giao diện app inventor 2

- Sau khi hoàn thành viết xong phần mềm điều khiển trên điện thoại ta có được giao diện sau:

Hình 2.9 Hình ảnh sau khi hoàn thành giao diện

- Tham khảo các khối lệnh app inventor viết cho phần mềm trên điện thoại và code cho mạch điều khiển ở phần phụ lục [2], [1]

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1 Kết quả thu được

Hình 3 1 Mạch phần cứng sau khi hoàn thành

Hình 3.2 Phần mềm điều khiển thiết bị trên điện thoại android

3.2 Kiểm nghiệm hoặt động của hệ thống

a Bộ điều khiển.

 Ưu điểm:

 Kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ;

 Ngõ ra để kết nối với thiết bị, rất an toàn cho người sử dụng;

 Sau thời gian chạy thử, bộ điều khiển hoạt động khá tốt

 Khuyết điểm

 Do chất lượng linh kiện không đảm bảo đúng thông số trong Datasheet nên

có một số lỗi nhỏ như thời gian chưa hoạt động chính xác

 Sản phẩm chưa được thử nghiệm với thời gian dài trong nhiều môi trường

khác nhau nên chưa đánh giá chính xác được độ ổn định

b Phần mềm điều khiển trên điện thoại Androi.

 Ưu điểm

 Dung lượng nhỏ, dễ dàng cài đặt trên các điện thoài chạy hệ điều hànhAndroid

 Giao diện điều khiển ứng dụng khá đơn giản

 Phần mềm ứng dụng viết trên điện thoại Android hoạt động tốt, và ổn định

 Khuyết điểm

 Ứng dụng đôi khi vẫn còn bị treo

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1 Trong quá trình thực hiện đề tà nhóm em đã thu được kết quả sau: hiểu được

công nghệ Bluetooth xây dựng thành công hệ thống điều khiển các thiết bị sử dụngđiện thoại Android thông qua module Bluetooth hoạt động hiệu quả Hệ thống có thể

dễ dàng điều khiển bằng tay hoặc bằng phần mềm

2 Định hướng phát triển của đề tài: do hạn chế về thời gian thực hiện nên đề tài

thực hiện chỉ đáp ứng được một phần nhỏ của hệ thống do đó để đề tài được ứng dụngnhiều hơn trong thực tế thì đề tài cần thêm những yêu cầu sau: bộ điều khiển sẽ tíchhợp được nhiều thiết bị như cảm biến nồng độ, độ ẩm, pH và phản hồi được các

sự cố về thiết bị cầm tay, phục vụ các ứng dụng trong đời sống Hy vọng vớihướng phát triển trên sẽ sớm được ứng dụng