Điều khiển thiết bị từ xa bằng smartphone dựa trên sóng Bluetooth

Nội dung của bài viết này giới thiệu và trình bày ngắn gọn một thiết kế sử dụng Smartphone để điều khiển xe mô hình qua sóng Bluetooth, cách xây dựng phần mềm điều khiển trên nền tảng hệ điều hành Android sử dụng phần mềm Android Studio.

ISSN 2354-0575 ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỪ XA BẰNG SMARTPHONE DỰA TRÊN SÓNG BLUETOOTH Lý Văn Đạt, Nguyễn Văn Vinh, Nguyễn Thị Nhung, Phạm Thị Ngọc Anh, Nguyễn Thị Huyền Linh, Hoàng Thị Hằng, Đào Văn Đã Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 15/03/2017 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 10/05/2017 Ngày báo duyệt đăng: 30/05/2017 Tóm tắt: Điều khiển thiết bị từ xa điện thoại thông minh hướng nghiên cứu học giả nước quan tâm phát triển Đặc biệt phát triển công nghệ khơng dây Bluetooth, wifi tích hợp Smartphone Bài báo giới thiệu trình bày ngắn gọn thiết kế sử dụng Smartphone để điều khiển xe mơ hình qua sóng Bluetooth, cách xây dựng phần mềm điều khiển tảng hệ điều hành Android sử dụng phần mềm Android Studio Kết đề tài sở thiết kế điều khiển xe dò đường, xe thám lĩnh vực an ninh quốc phòng, hệ thống điều khiển không dây ứng dụng thực tiễn sử dụng sóng Bluetooth Từ khóa: Điều khiển, xe mơ hình, Android, Android Studio, Bluetooth MỞ ĐẦU Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật công nghệ thông tin, nhu cầu điều khiển thiết bị từ xa nhờ hệ thống thông minh ngày quan tâm Các hệ thống có dây thay dần công nghệ không dây với mục đích giảm bớt cồng kềnh, phức tạp mà đáp ứng nhu cầu truyền, nhận thơng tin Hiện có nhiều cơng nghệ truyền nhận khơng dây RF (RF, Radio Frequency), Wifi, Bluetooth, vv Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng công nghệ để điều khiển thiết bị cho gia đình hay phát triển hệ thống nhà thông minh [1], sử dụng tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị điện [2] Với việc sử dụng Smartphone điều khiển thiết bị điện thơng qua sóng Bluetooth giới có nhiều nghiên cứu điển hình [3] Ở nước số đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên triển khai [4], việc điều khiển thiết bị không cần khoảng cách xa nên nghiên cứu dừng lại chuẩn Bluetooth 2.0 với khoảng cách tối đa 10m Một số đề tài điều khiển xe mơ hình sử dụng sóng RF [5] nhược điểm sóng RF khả chống nhiễu tính bảo mật khơng cao Vì vậy, việc thiết kế điều khiển xe Smartphone thông qua sóng Bluetooth sử dụng chuẩn 4.0 giải vấn đề khoảng cách, tốc độ truyền tính bảo mật Nghiên cứu bước đầu để giao tiếp vi điều khiển điện thoại thông qua sóng Bluetooth, cách viết ứng dụng tảng hệ điều hành Android qua pháp triển cho nhiều tốn điều khiển khơng dây ứng dụng thực tiễn Các điều khiển xe dò Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 đường, xe thám lĩnh vực an ninh quốc phòng Nội dung báo tập trung vào việc xây dựng thuật toán điều khiển, thiết kế mạch điều khiển xây dựng giao diện điều khiển chạy Android với chuẩn giao tiếp Bluetooth 4.0, tốc độ truyền tải lên đến 25Mbps, khoảng cách truyền tối đa 100m dễ dàng ghép đôi thiết bị XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE MƠ HÌNH BẰNG SÓNG BLUETOOTH 2.1 Xây phần mền điều khiển, thiết kế chế tạo mạch điều khiển Hệ thống điều khiển bao gồm hai phần phần mền điều khiển cài đặt điện thoại phần mạch điều khiển trung tâm đặt xe 2.1.1 Xây dựng lưu đồ thuật toán Phần mềm ứng dụng viết ngơn ngữ Android Studio, cài đặt tất Smartphone sử dụng hệ điều hành Android Phần mềm điều khiển xe mơ hình ứng với chức di chuyển tiến, lùi, rẽ trái rẽ phải; với chức tương ứng Smartphone gửi mã riêng tới module Bluetooth 4.0 Khi module Bluetooth nhận tín hiệu truyền đến vi xử lý để xử lý điều khiển động Hình ảnh tìm kiếm thiết bị, giao diện điều khiển điện thoại lưu đồ thuật toán thể hình 1, tương ứng Journal of Science and Technology 37 ISSN 2354-0575 tốc độ xử lý nhanh họ vi điều khiển 89C51 có nhớ chương trình nhớ liệu riêng biệt Bên cạnh PIC có chế bảo mật cao cho phép người lập trình đặt mật nạp chương trình người sử dụng khơng thể tải mã chương trình từ chíp xuống khơng có mật Mạch điều khiển kết nối với Smartphone thông qua module Bluetooth 4.0 Động điều khiển thông qua khối công suất sử dụng IC L298 (IC, Intergrated Circuit) Toàn mạch cung cấp hai nguồn pin 9V 4.8V, nguồn pin 9V cung cấp cho nguồn vi xử lý module Bluetooth; nguồn pin 4.8V cung cấp cho động Hình Giao diện tìm kiếm thiết bị 2.2 Sơ đồ khối hệ thống Mơ hình hệ thống bao gồm khối khối Module Bluetooth, khối xử lý trung tâm, khối công suất động khối nguồn kết nối với Hình Hình Mơ hình hệ thống Hình Giao diện hệ điều hành Android 2.2.1 Khối module Bluetooth 4.0 HM-10 Module có khả giao tiếp với thiết bị Apple thiết bị sử dụng phần mềm Android có hỗ trợ chuẩn Bluetooth 4.0 thơng qua tập lệnh AT Với ưu điểm khả tiêu thụ điện thấp (400µA Sleep Mode) khoảng cách truyền xa Bluetooth 2.0 nhiều (100m không vật cản) Module có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ điện thoại, tín hiệu gửi vi xử lý trung tâm đưa lệnh điều khiển tương ứng Hình Lưu đồ thuật tốn 2.1.2 Thiết kế mạch điều khiển Mạch điều khiển trung tâm thiết kế nhỏ gọn nhờ sử dụng vi điều khiển PIC 18F4431 (PIC, Programmable Intelligent Computer), có ưu điểm 38 Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Hình Module Bluetooth 4.0 HM-10 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 2.2.2 Khối công suất điều khiển động Tín hiệu từ vi điều khiển có dịng điện 20mA, điện áp 4,8V Để điều khiển hai động cho xe, động lái điều chỉnh hướng động đẩy ta cần sử dụng hai mạch cầu H IC Inter chuyên dụng L 298 để khuếch đại tín hiệu điều khiển IC L298 tích hợp hai cầu H bên để điều khiển động cơ; IC có điện áp, dịng điện làm việc lớn là: 40V, 3A; IC có kết cấu gọn nhẹ, giá thành thấp lựa chọn IC L298 mơ hình phù hợp 768B, sử dụng dao động 40Mhz cho tốc độ xử lý nhanh Hình Sơ đồ chân PIC 18F4431 Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển thiết kế Hình Hình Hình ảnh IC L298 Sơ đồ kết nối L 298 với động thể Hình Hình Sơ đồ kết nối L298 với động 2.2.3 Khối xử lý trung tâm Bộ xử lý trung tâm có chức nhận thông tin từ Smartphone thông qua module Bluetooth sau xử lý, điều khiển động Để thực chức xử lý tín hiệu có nhiều loại vi xử lý vi điều khiển 89C51, vi điều khiển PIC, AVR Ở báo nhóm tác giả lựa chọn vi điều khiển PIC 18F4431 hãng Microchip Đây vi điều khiển bit, có tốc độ xử lý kết nối ngoại vi đáp ứng đầy đủ yêu cầu đặt toán Một số ưu điểm bật PIC 18F4431 có hỗ trợ UART, nhớ Flash Program 16KB, RAM Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Hình Lưu đồ thuật tốn điều khiển Journal of Science and Technology 39 ISSN 2354-0575 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN Mạch điều khiển xe Smartphone thơng qua sóng Bluetooth thiết kế qua thử nghiệm cho thấy khoảng cách truyền, nhận Smartphone xe lên đến 70m, xe chạy tiến, lùi, rẽ trái rẽ phải với khả đáp ứng nhanh không bị nhiễu từ thiết bị khác Với việc xây dựng phần mềm ứng dụng cài đặt Android tất Smartphone cài đặt ứng dụng điều khiển xe không cần điều khiển khác kèm Về tính bảo mật xây viết chương trình điều khiển điện thoại để thực kết nối hai thiết bị phần mền yêu cầu mã xác nhận kết nối người lập trình cài đặt Vì muốn điều khiển thiết ngồi việc điện thoại cài đặt phần mềm điều khiển cần có mã kết nối Đây ưu điểm sóng Bluetooth so với sóng vơ tuyến Ngồi chuẩn Bluetooth 4.0 sử dụng kỹ thuật nhảy tần tần số 2.5GHz, liên lạc thiết bị thực 1600 lần nhảy giây 79 tần số khác mục đích để giảm ảnh hưởng Fading đa đường tăng chất lượng đường truyền KẾT LUẬN Ở báo này, nhóm tác giả thiết kế thành cơng hệ thống điều khiển xe mơ hình Smartphone sử dụng phần mềm Android dựa sóng Bluetooth hoạt động hiệu Khả đáp ứng điều khiển nhanh, sản phẩm hồn thiện để bán thị trường để làm thiết bị dạy học, triển lãm Tuy nhiên khả đáp ứng (tốc độ truyền liệu) dừng mức định tính chưa có đo kiểm giám sát, hệ thống thử nghiệm địa hình phẳng, vấn đề tăng giảm tốc độ cho xe chưa xem xét Trong tương lai, nhóm tác giả phát triển thêm phần camera để thu nhập hình ảnh gửi Smartphone có thêm tính cảnh báo thay đổi kết cấu khí để di chuyển nhiều địa hình khác phù hợp với ứng dụng lĩnh vực cứu hộ, dò đường, an ninh quốc phịng Hình 10 Hình ảnh sản phẩm hoàn thiện Tài liệu tham khảo [1] Sriskanthan N., Tan F., Karande A., Bluetooth based Home Automation System, Microprocessors and Microsystems, vol 26 (2002), pp 281-289 [2] Thân Ngọc Hoàn, Dương Văn Tuyển, Nguyễn Tiến Ban, Điều khiển từ xa thiết bị điện qua tin nhắn điện thoại, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, vol 21 (2010), pp 7-13 [3] Vini Madan, S.R.N Reddy, GSM-Bluetooth based Remote Monitoring and Control System with Automatic Light Controller, International Journal of Computer Applications, vol 46 (2012), pp 20-28 [4] Hoàng Minh Thuận, Điều khiển thiết bị điện thoại Android qua sóng Bluetooth, Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-2015, Đại học Duy Tân, (2015) [5] Lê Hùng Linh, Dương Chính Cương, Ngơ Hữu Huy, Mơ hình robot điều khiển từ xa máy tính thơng qua sóng Radio, Tạp chí khoa học & Cơng nghệ Đại học Thái Ngun, vol 71 (2011), pp 71-77 40 Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 REMOTE – CONTROL DEVICES BY SMART PHONE BASED ON BLUETOOTH WAVE Abstract: Remote – control devices by smart phone is new research which is cared and developed by Vietnamese and foreign researchers Specially, wireless technology developing is integrated in Smart phone as Bluetooth, wifi This paper presents a design using a smart phone to control car model through Bluetooth wave based on Android system Result of the search is a basic theory for designing and controlling road tracking and explorer vehicles in security army applycations Keywords: remote control, Car model, Android, Bluetooth Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology 41 ... qua module Bluetooth sau xử lý, điều khiển động Để thực chức xử lý tín hiệu có nhiều loại vi xử lý vi điều khiển 89C51, vi điều khiển PIC, AVR Ở báo nhóm tác giả lựa chọn vi điều khiển PIC 18F4431... lập trình cài đặt Vì muốn điều khiển thiết việc điện thoại cài đặt phần mềm điều khiển cần có mã kết nối Đây ưu điểm sóng Bluetooth so với sóng vơ tuyến Ngoài chuẩn Bluetooth 4.0 sử dụng kỹ thuật... Hình Lưu đồ thuật toán điều khiển Journal of Science and Technology 39 ISSN 2354-0575 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN Mạch điều khiển xe Smartphone thông qua sóng Bluetooth thiết kế qua thử nghiệm