Vịng đeo tay được thiết kế và xây dựng sẽ bao gồm các tính năng sau:
- Theo dõi, đếm bước chân của người sử dụng.
- Hiển thị được thơng tin về tình trạng thiết bị và dữ liệu đo được.
- Cĩ khả năng kết nối với smartphone để chia sẻ dữ liệu: khoảng cách kết nối đạt trên 50 mét.
- Thời lượng pin sử dụng từ 2-3 ngày, charge lại thơng qua cổng USB.
- Tiêu chuẩn IP51 (chống bụi thâm nhập một phần và nước nhỏ giọt).
- App Android trên smartphone giao diện với người dùng.
Hình 3.1 dưới đây mơ tả sơ đồ khối cơ bản của vịng đeo tay. Đảm nhiệm chức năng xử lý dữ liệu là vi xử lý ARM M0+ được tích hợp sẵn trên board nRF51822. Cảm biến gia tốc ba trục MPU-6050 sẽ đọc dữ liệu gia tốc ba trục theo lệnh của vi xử lý và gửi các dữ liệu thơ về thơng qua giao tiếp I2C. Vi xử lý ARM M0+ sẽ xử lý các dữ liệu gia tốc thơ này theo thuật tốn chương trình đã được nạp sẵn và kết quả là ta cĩ được số bước chân đếm được. Dữ liệu số bước chân này sẽ được gửi hiển thị lên màn hình OLED SSD1306 thơng qua giao tiếp I2C; đồng thời dữ liệu số bước chân này cũng được gửi lên smartphone thơng qua chuẩn giao tiếp BLE và hiển thị trên app Android. Các board và cảm biến được cấp nguồn từ pin Lipo 3.7V và charge thơng qua cổng micro USB của mạch charge TP4056.
App on android smart phone
Hiển thị số bước chân
Hiển thị khoảng cách Hiển thị lượng calories Màn hình OLED SSD1306 NRF51822 (CPU:ARM M0+) Accelerator (MPU-6050) Pin Lipo 500mA Giao tiếp I2C Mạch charge 1A TP4056 Data BLE BLE
Hình 3.1: Sơ đồ khối của vịng đeo tay
Nguyên lý hoạt động như sau:
MPU-6050 sẽ thu thập các dữ liệu về sự thay đổi gia tốc 3 trục và gửi về CPU ARM M0 (tích hợp trong board NRF51822) thơng qua giao tiếp I2C. CPU sẽ xử lý dữ liệu và gửi data lên LED SSD1306. LED sẽ hiển thị các thơng số đã lập trình trước cùng data. Đồng thời dữ liệu cũng được gửi về smartphone thơng qua NRF51822 thơng qua chuẩn giao tiếp BLE. Trên smartphone sẽ cĩ một app giao diện người dùng để hiển thị số bước chân, quãng đường di chuyển và lượng calo tiêu thụ.
Để theo dõi và đếm bước chân, người thực hiện đề tài lựa chọn đặc tính gia tốc trong các đặc tính cĩ thể theo dõi sự chuyển động (vận tốc, gia tốc, gĩc chuyển động…) làm thơng số chính để tính tốn bước chân trong quá trình chuyển động. Hiện nay cĩ nhiều cảm biến gia tốc trên thị trường như dịng ADXL345, ADXL345, MPU-6000, MPU-6050. Sau khi phân tích các đặc tính và tính năng của các cảm biến, người thực hiện đề tài quyết định sử dụng cảm biến gia tốc 3 trục MPU-6050 bởi vì MPU-6050 đo được gia tốc tốc ba trục, tích hợp sẵn bộ DAC 10-bit giúp dữ liệu ngõ ra là dữ liệu số, thuận tiện hơn trong việc giao tiếp xử lý dữ liệu. Đồng thời MPU-6050 cũng hỗ trợ chuẩn kết nối I2C. Hình 3.1 dưới đây là hình thực tế của một module sensor MPU-6050 với các chân pin out.
Hình 3.2: Cảm biến gia tốc ba trục MPU-6050
Để tăng khả năng kết nối và truyền nhận dữ liệu, vịng đeo tay địi hỏi phải cĩ khả năng kết nối với smartphone. Như vậy ta phải trang bị cho vịng đeo tay một chuẩn kết nối khơng dây thích hợp. Cĩ nhiều chuẩn kết nối khơng dây đã và đang phát triển như wifi, bluetooh, BLE, Zigbee…, trong đĩ BLE tỏ ra nổi trội với việc tiêu thụ năng lương cực thấp khi hoạt động. Điều này là vơ cùng quan trọng bởi vịng đeo tay là một thiết bị di động, việc tiêu thụ ít năng lượng sẽ làm giảm yêu cầu đối với nguồn pin của vịng đeo tay. Board nRF51822 của hãng Nordic với nhiều tính năng như giao tiếp chuẩn truyền thơng BLE, được điều khiển bởi vi xử lý ARM M0+, cĩ các chuẩn kết nối như SPI, I2C, UART thuận lợi cho việc giao tiếp điều khiển, kích thước nhỏ gọn. Với các tính năng như vậy, board nrf51822 vơ cùng thích hợp để tích hợp trong vịng đeo tay. Hình 3.2 dưới đây là một board nRF51822 trong thực tế.
Thơng tin về tình trạng thiết bị và dữ liệu được hiển thị thơng qua một màn hình OLED SSD1306 hỗ trợ chuẩn kết nối I2C. Hình 3.3 dưới đây là mặt trước của một màn hình OLED SSD 1306 1.2 inch.
Hình 3.4: OLED SSD 1306 1.2’
Một App Android trên smartphone sẽ được xây dựng nhằm hiển thị các thơng số bước chân đếm được và các thơng tin liên quan trên một giao diện người dùng. Phần mềm Android Studio được lựa chọn để phát triển app bởi đây là một IDE hỗ trợ nhiều tính năng đa dạng, giao diện lập trình dễ thao tác. Hình 3.4 dưới đây là giao diện Android Studio trên Window.
Nguồn pin của vịng đeo tay được lấy từ pin Lipo 500mA (Lithium Polymer) cĩ kích thước nhỏ gọn, dịng xả lớn, tuổi thọ cao. Mạch charge pin Lithium TP4056 được dùng để charge cho pin thơng qua cổng micro USB 5V DC, cĩ khả năng tự ngắt khi pin dưới 2.4V nhằm bảo vệ pin. Hình 3.5 là mạch charger pin Lithium TP4056, hình 3.6 là pin Lipo 500mA.
Hình 3.6: Mạch charge pin Lithium Tp4056
Hình 3.7: Pin Lipo 3.7V 500mA
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý phần cứng của vịng đeo tay
Trong sơ đồ nguyên lý sẽ bao gồm:
Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn của vịng đeo tay
Các tụ (C19, C20, C21) là tụ 4.7pF 50V (tụ dán 0805).
IC MCP1700-3302 cĩ chức năng hạ áp từ 5V xuống 3,3 V, cung cấp nguồn cho board nRF51822, MPU-6050 và OLED SSD1306 hoạt động.
- Board nRF51822
Chịu trách nhiệm tiếp nhận, xử lý tín hiệu và truyền tín hiệu lên smartphone qua BLE.
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý và truyền nhận tín hiệu nrf51822 của vịng
- Cảm biến gia tốc
Chịu trách nhiệm thu thập tín hiệu gia tốc thơ và gửi lên nRF51822 để xử lý.
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối càm biến gia tốc
- Khối hiển thị
SSD1306 hiển thị các thơng tin, được điều khiển bởi vi xử lý ARM nằm trong nRF51822.