Điện áp hoạt động 3,3V đến 6,6V.
Khi bắt đầu kết nối cần dòng là 30 mA, sau khi kết nối xong dịng hoạt động truyền nhận bình thường là 8 mA.
Tốc độ Baud UART có thể chọn được: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200.
Kích thước của module chính: 27mm X 13mm X 2mm Phiên bản Bluetooth V2.0 + EDR.
Chipset CSR BC417143.
Bluetooth class 2: Tầm phủ sóng 10m. Dải tần sóng hoạt động: 2.4GHz.
Thiết lập mặc định: Baud rate: 9600, N, 8, 1. Pairing code: 1234.
Module này có 2 chế độ làm việc (có thể tùy chỉnh 2 chế độ đó thơng qua chân key 34 của nó):
- Tự động kết nối.
- Đáp ứng theo lệnh: khi làm việc ở chế độ này, các bạn có thể gửi các lệnh AT để giao tiếp với module.
Các chế đợ hoạt đợng
HC-06 có hai chế độ hoạt động là Command Mode và Data Mode. Ở chế độ Commad Mode ta có thể giao tiếp với module thơng qua cổng serial trên module bằng tập lệnh AT quen thuộc. Ở chế độ Data Mode module có thể truyền nhận dữ liệu tới module bluetooth khác. Chân KEY dùng để chuyển đổi qua lại giữa hai chế độ này. Có hai cách để cho chúng ta có thể chuyển đổi module hoạt động trong chế độ Data Mode :
- Nếu đưa chân này lên mức logic cao trước khi cấp nguồn module sẽ đưa vào chế độ Command Mode với baudrate mặc định 9600. Chế độ này khá hữu ích khi khơng biết baudrate trong module được thiết lập ở tốc độ bao nhiêu. Khi chuyển sang chế độ này đèn led trên module sẽ nháy chậm (khoảng 2s) và ngược lại khi chân KEY nối với mức logic thấp trước khi cấp nguồn module sẽ hoạt động chế độ Data Mode.
- Nếu module đang hoạt động ở chế Data Mode để có thể đưa module vào hoạt động ở chế độ Command Mode bằng cách đưa chân KEY lên mức cao. Lúc này module sẽ vào chế độ Command Mode nhưng với tốc độ Baud Rate được thiết lập lần cuối cùng. Vì thế phải biết baudrate hiện tại của thiết bị để có thể tương tác được với nó.
Ở chế độ Data Mode, HC-06 chỉ có thể cấu hình ở chế độ SLAVE : Cần thiết lập kết nối từ smartphone, laptop, usb bluetooth để dị tìm module sau đó pair với mã PIN là 1234. Sau khi pair thành cơng, ta sẽ có 1 cổng serial từ xa hoạt động ở baud rate 9600.
2.4.3 Module Wifi ESP8266:
Hiện tại thì đã có tới 14 phiên bản của ESP8266, quá nhiều sự lựa chọn cho chúng ta. Nhưng vì ở Việt Nam chỉ có 2 phiên bản ESP8266 phổ biến hiện nay đó là ESP-01 và ESP-12.Tuy nhiên, tơi chọn Module sử dụng là ESP-12 vì:
- Phiên bản mới nhất. - Có nhiều chân I/O.
- Hỗ trợ chuẩn truyền nhận dữ liệu cả SPI và UART.
Giới thiệu module ESP-12:
Mạch thu phát Wifi Soc ESP8266 ESP-12 có nhân xử lý bên trong là IC Wifi SoC ESP8266, thường được sử dụng trong các ứng dụng kết nối wifi, IoT hiện nay. Sơ đồ chân và chức năng:
Hình 2.14. Sơ đồ chân và chức năng ESP-12
Đặc điểm của Module ESP-12:
1 x Reset button,
1 x User button khi khởi động module, nhấn phím này sẽ đưa chip về bootloading mode để upload firmware.
1xRed LED có thể lập trình được ( nhấp nháy khi có tín hiệu chẳng hạn…), Tích hợp chuyển đổi điện áp tín hiệu từ 5V sang 3.3V cho UART và chân Reset, lý do là esp8266 chỉ chạy ở điện áp 3.3V,
Tích hợp IC ổn áp 3.3V, 500mA. 2 điot bảo vệ chống cấp ngược nguồn. 1 x Analog input (1.8V max).
9 x GPIO (3.3V logic), có thể sử dụng các giao tiếp I2C hặc SPI. 2 x UART pins.
2 x 3-6V power inputs, reset, enable, LDO-disable, 3.3V output.
Tính năng:
Sử dụng nguồn 3.3v
Tích hợp anten PCB trace trên module
Tiêu chuẩn wifi : 802.11b/g/n, với tần số 2.4GHz và hổ trợ bảo mật WPA/WPA2 Khoảng cách giữa các chân 2mm
Các chế đợ hoạt đợng:
ESP8266 có ba chế độ hoạt động là Station, Access Point và cả hai chế độ này. Ở chế độ Station, thiết bị kết nối vào mạng WIFI được gọi là station (trạm). Việc kết nối vào mạng Wifi được hỗ trợ bởi một access point (AP), một AP có chức năng như một hub nhưng dùng cho nhiều station. Chế độ Access Point thì được hiểu là một điển truy cập cho các Station.
3.1 GIỚI THIỆU
Mục tiêu của đồ án: Thiết kế mơ hình điều khiển được bằng giọng nói và bằng cách thao tác trên smart phone. Giọng nói hoặc thao tác sẽ được xử lý bằng App trên điện thoại Android, xuất tín hiệu, gửi đến trung tâm xử lý thông qua Bluetooth hoặc Wifi/3G/4G và điều khiển theo ý muốn. Riêng App sẽ có những chức năng riêng theo yêu cầu của người dùng.
Ứng dụng trên điện thoại:
- Yêu cầu đăng nhập tài khoản để sử dụng ứng dụng. - Điều khiển các thiết bị bằng giọng nói hoặc thao tác. - Tùy chọn kết nối Bluetooth hoặc Wifi/3G/4G.
- Thông báo nhiệt độ và độ ẩm, cảnh báo khi cần thiết.
- Nhiều thiết bị điều khiển cùng lúc và đồng bộ trạng thái theo thời gian thực.
Bộ xử lý trung tâm:
- Thiết kế nhỏ gọn, thẩm mỹ
- Giao tiếp với ứng dụng trên SmartPhone bằng Bluetooth (truyền nhận dữ liệu) và Wifi/3G/4G.
- Sử dụng nguồn 12V DC cho tất cả các thiết bị.
3.2 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG
TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN
Bluetooth Wifi
Wifi/3G/4G App điện thoại
Android
ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH
Firebase CƠ SỞ DỮ LIỆU Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống.
Chức năng các khối:
Khối nguồn: Cung cấp nguồn nuôi DC cho mạch , ở đây những người
thực hiện dùng nguồn 12V
Khối vi điều khiển: Đọc giá trị từ App điện thoại gửi đến thông qua
Bluetooth hoặc Wifi, xử lý đồng thời điều khiển các thiết bị.
Khối Firebase: Nơi lưu trữ giữ liệu và là kết nối trung gian giữa vi điều
khiển và ứng dụng Android.
Khối module Bluetooth:Tạo kết nối trung gian giữa vi điều khiển và ứng
dụng Android.
App Android (Điện thoại): Nhận lệnh từ giọng nói hoặc thao tác của con
người, xử lý và gửi tín hiệu đến vi điều khiển thơng qua Bluetooth hoặc thơng qua Wifi/3G/4G.
3.3 TÍNH TỐN THIẾT KẾ
3.3.1 Thiết kế App trên điện thoại:
Yêu cầu:
Đăng nhập để được sử dụng. Kết nối Bluetooth hoặc wifi. Yêu cầu bật và kết nối Bluetooth. Hiển thị, cảnh báo nhiệt độ và độ ẩm. Giao diện đăng nhập và chọn hình thức điều khiển:
Hình 3.2. Giao diện đăng nhập và chọn hình thức điều khiển.
Giao diện Bluetooth và giao diện Wifi
Hình 3.3. Giao diện Bluetooth và Wifi.
Khi nhấp vào nhận giọng nói, 1 màn hình chờ sẽ hiện ra chờ lệnh của người thực hiện, nếu đúng sẽ thực hiện lệnh, sai sẽ báo lỗi “Thử lại”.
Đang nhận giọng nói…
Đây chỉ là thiết kế ban đầu cho App, những người thực hiện sẽ nghiên cứu và phát triển thêm chức năng cho App nếu có thể.
3.3.2 Thiết kế mơ hình:
a. Bố trí mơ hình thiết bị:
Để thiết kế mơ hình, người thực hiện đã thiết kế theo các tiêu chí: - Nhỏ gọn, hiện đại và đạt tính thẩm mỹ cao.
- Bố trí các đèn chiếu sáng hợp lý và phù hợp thực tế.
\
ĐÈN 1 ĐÈN 2 ĐỘNG CƠ
ĐÈN 3 ĐÈN 4 CẢM BIẾN
Hình 3.5. Bố trí thiết bị.
b. Thiết kế động cơ:
Động cơ để cho thiết bị hoạt động ở đây người thực hiện sử dụng 1 động cơ phục vụ cho việc quay cánh quạt với các thông số sau:
- Điện áp hoạt động: 1- 6V DC - Dòng điện tiêu thụ: 0.35 – 0.4 A
- Số vòng/phút:17.000 – 18.000 vịng/phút tại 3VDC.
Hình 3.6. Động cơ DC.
c. Thiết kế khối điều khiển động cơ
Để điều khiển hoạt động của động cơ, ta sử dụng opto PC817 có vai trị đóng ngắt và Mosfet IRF540 làm nhiệm vụ điều chỉnh điện áp để điều khiển động cơ.
d. Thiết kế khối nhận dữ liệu bluetooth:
Trên thị trường có rất nhiều loại Module bluetooth như HC - 06, HC - 05,… nhưng ở đây người thực hiện chọn Module bluetooth HC - 06 vì giá thành rẻ, đáp ứng cao hơn so với HC - 05.
Dưới đây là sơ đồ của khối Module Bluetooth HC-06 được thiết kế trong mạch:
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý của khối module bluetooth.
Chân STATE và chân EN để trống, cấp nguồn và GND từ khồi nguồn, chân Rx và Tx lần lượt nối với chân Tx, Rx của khối xử lý trung tâm.
Hình 3.9. Module Bluetooth HC - 06 thực tế.
e. Thiết kế khối nhận dữ liệu Wifi:
Vì Module ESP8266-12 hoạt động ở mức điện áp 3.3V DC, khi nạp chương trình phải thơng qua Module USB2UART PL 2303 để giao tiếp với máy tính và phải cấp nguồn ngồi. Vì vậy tơi sẽ chọn ESP8266 Node MCU để thuận tiện cấp nguồn (5V DC) và nạp chương trình.
Hình 3.10. Sự tiện dụng của Node MCUDưới đây là sơ đồ chân của ESP8266 Node MCU Dưới đây là sơ đồ chân của ESP8266 Node MCU
Hình 3.11. Sơ đồ chân của Node MCU
Chân Vin và GND sẽ được cấp từ khối nguồn. Các chân GPIO12, GPIO13, GPIO14 và GPIO4 được sử dụng để giao tiếp với Arduino Uno R3 bằng giao tiếp SPI. Tuy nhiên, vì khác nhau giữa mức điện áp 3.3V của Node MCU và 5V của Uno R3, nên ta phải cần tới mạch chuyển mức tín hiệu 4 kênh.
Cách giao tiếp giữa Node MCU và Uno R3: Nude MCU SS MISO MOSI CLK GND 3.3V Arduino Uno R3 SS MOSI MISO CLK GND 5V
Hình 3.12. Giao tiếp giữa Node MCU và Uno R3
f. Thiết kế khối xử lý trung tâm:
Do ta đã chọn Board vi điều khiển Arduino Uno R3 làm khối điều khiển trung tâm ở chương 2 nên chương này ta chỉ tìm hiểu về cấu tạo bên trong Arduino Uno R3.
Hình 3.13. Sơ đồ nối dây vi điều khiển trong Broad Arduino Uno R3.Chân RESET của MCU được được nối với nút nhấn tích cực mức cao. Với điện trở kéo Chân RESET của MCU được được nối với nút nhấn tích cực mức cao. Với điện trở kéo lên, đầu vào của vi điều khiển sẽ đọc trạng thái là 5V (HIGH) nếu nút nhấn khơng được nhấn. Khi nút nhấn được nhấn, nó sẽ kết nối trực tiếp đầu vào vi điều khiển với GND, vì thế mức điện áp đọc tại đầu vào MCU là 0V (LOW), đồng thời MCU sẽ được khởi
động lại (RESET). Nếu khơng có điện trở kéo lên, khi ta nhấn nút sẽ xảy ra hiện tượng đoản mạch.
Chân XTAL1 và XTAL2 của MCU được nối vào 2 đầu thạch 16MHz tạo mạch dao động ngoại. Hai tụ 22pF không phân cực được gán vào chân thạch anh để ổn định nhiệt. Để nạp chương trình cho vi điều khiển ta sẽ dùng mạch nạp được tích hợp sẵn trong board Arduino Uno R3. Dưới đây là sơ đồ đi dây mạch nạp.
Hình 3.14. Sơ đồ nối dây mạch nạp trong Arduino Uno R3.
Mạch này giao tiếp với MCU thông qua chuẩn UART bằng 2 chân RX, TX và giao tiếp với máy tính bằng cổng USB. Vì MCU chỉ hỗ trợ 1 chuẩn UART nên mỗi lần muốn nạp chương trình cho MCU ta phải ngắt các kết nối liên quan đến chuẩn UART.
g. Thiết kế khối nguồn:
Ta có bảng liệt kê điện áp và dòng điện các linh kiện sử dụng trong mạch sau: Bảng 3.1. Bảng liệt kê điện áp và dòng điện các linh kiện sử dụng trong mạch
Tên linh kiện
Arduino Uno R3 Động cơ DC
Module HC-06
Module 2 Relay Module ESP8266
Node MCU Từ bảng trên, ta có khối nguồn như sau:
Tổng dịng tiêu thụ Itổng= 30+350+40+160x2+170=910 (mA) Như vậy người thực hiện chọn nguồn:
Điện áp: 12V.
Dịng điện: 1A.
+ Tính tốn thơng số điện trở R :
Tính điện trở hạn dịng cho Led báo nguồn.
Ta áp dụng K2 để tính : R1.I+2=24 Với I = 20.10^(-3) A Suy ra R1 = 1100Ω Chọn R1 = 1KΩ 3.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG:
Để vẽ sơ đồ nguyên lý toàn mạch, những người thực hiện đã dùng phần mềm altium, một phần mềm chuyên về vẽ PCB để cho mạch được tối ưu về Module và kết nối đúng với thực tế.
Hình 3.15. Sơ đồ ngun lý của mơ hình.
Ngun lý hoạt đợng:
Khi vi điều khiển nhận được dữ liệu từ App Android gửi đến sẽ lập tức gửi tín hiệu đến chân Relay, các chân dữ liệu của Relay ở đây được nối trùng với các chân của Arduino nhằm nhận tín hiệu 1 cách chính xác, từ đó sẽ điều khiển thiết bị theo ý muốn, 4 Relay được nối với các chân 2, 3, 4, 5 của Arduino Uno R3 và xài nguồn riêng 12V.
Đối với App Android :
-Khi nhận được thao tác điều khiển, sẽ gửi dữ liệu đến vi điều khiển thông qua bluetooth hoặc Wifi.
- Khi nhận được lệnh bằng giọng nói, sẽ lập tức thực thi nếu đúng và sẽ yêu cầu ra lệnh lại nếu không đúng.
Chương 4. THI CƠNG HỆ THỐNG
4.1 GIỚI THIỆU
Chương này gồm có các nội dung sau: Thi cơng App trên điện thoại. Thi cơng mơ hình.
Lưu đồ giải thuật phần mềm. Quy trình thao tác.
4.2 THI CƠNG HỆ THỐNG
4.2.1 Thi công App trên điện thoại
Để viết App trên điện thoại Android, người ta có thể dùng nhiều phần mềm, phổ biến nhất là Android Studio, nhưng để xử lý được giọng nói, ở đây người thực hiện cần kết nối mạng cho App để so sánh giọng nói với chuẩn mực trên Internet, từ đó App mới hiểu được con người đang nói gì, nên để viết App trên điện thoại người thực hiện đã chọn công cụ App Inventor của Google.
a. Giới thiệu công cụ App Inventor:
Ngày 12/7/2010, Google chính thức giới thiệu công cụ lập trình trực quan App Inventor dùng để phát triển phần mềm ứng dụng trên hệ điều hành Android. App Inventor là cơng cụ lập trình dành cho mọi người, kể cả trẻ em.
Với công cụ App Inventor, Google tạo điều kiện để mọi người có thể tự xây dựng phần mềm ứng dụng cho thiết bị di động dùng hệ điều hành Android.
Hình 4.1. Cơng cụ App Inventor.
App Inventor thực chất là một ứng dụng web, chạy bởi trình duyệt trên máy tính cá nhân.Tuy nhiên, người dùng vẫn phải cài thêm một số ứng dụng trên máy tính hoặc trên
thiết bị di động của mình để kết nối. Nhờ vậy, người dùng có thể nhanh chóng chuyển ứng dụng từ máy tính cá nhân qua điện thoại Android để chạy thử.
Cách truy cập vào App Inventor 2
Để truy cập vào App Inventor 2, người dùng cần đăng ký tài khoản Google trước. Truy cập vào địa chỉ https://accounts.google.com/SignUp
Hình 4.2. Giao diện của trang web đăng ký tài khoản google.
Điền những thông tin trang web yêu cầu để tạo khoản mới và làm theo các hướng trên trang web.
Sau khi đăng ký thành công , truy cập vào địa chỉ http://appinventor.mit.edu/explore/# .
Sau đó click vào Create Apps!
http://appinventor.mit.edu/explore/# . Sau đó click vào Create Apps!
Hình 4.3. Giao diện trang web MIT App Inventor. Xuất hiện tab mới có địa chỉ http://ai2.appinventor.mit.edu .
Hình 1.4. Giao diện cơng cụ App Inventor 2. Trên màn hình chính của trang web, có các mục cần chú ý:
Projects: giúp quản lý và thao tác với các Projects người dùng đã tạo với các thao tác
Nhập một project từ máy tính vào App Inventor 2. Lưu project lại.