ĐIỀU KHIỂN HIỆN NAY
2.2.1 Các loại giao tiếp không dây dùng trong hệ thống điều khiển hiện nay
2.2.1.1 Tương tác qua sóng vô tuyến RF
Điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến (RF: Radio Frequency) là loại điều khiển từ xa xuất hiện đầu tiên và đến nay vẫn giữ một vai trò quan trọng và phổ biến trong đời sống.
Hình 2.1: Thiết bị điều khiển bằng sóng RF
2.2.1.2 Tương tác qua sóng Bluetooth
Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao tiếp với nhau trong khoảng cách ngắn,
Hình 2.2: Sự tương tác thông qua sóng Bluetooth Nếu điều khiển (IR: thiết bị điều khiển
hồng ngoại) chỉ dùng trong nhà thì điều khiển RF lại dùng cho nhiều vật dụng bên ngoài như các thiết bị mở cửa gara xe, hệ thống báo hiệu cho xem các loại đồ chơi điện tử từ xa thậm chí kiểm soát vệ tinh và các hệ thống máy tính xách tay và điện thoại thông minh… Khoảng cách truyền từ 50-150m.
bằng sóng vô tuyến qua băng tần chung ISM(Industrial, Scientific, Medical) trong dãy tầng 2.40 – 2.48 GHz. và có khả năng truyền tải giọng nói và dữ liệu. Khoảng cách truyền từ 10-25m.
2.2.1.3 Tương tác qua giao tiếp hồng ngoại
Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng trong khoảng từ 400.000nm đến 760.000nm, dài hơn bước sóng ánh sáng khả kiến nhưng ngắn hơn tia bức xạ vi ba.
Hình 2.3 : Thiết bị điều khiển bằng sóng hồng ngoại
2.2.1.4 Giao tiếp gần NFC
NFC (Near-Field Communications) là công nghệ kết nối không dây phạm vi tầm ngắn trong khoảng cách 4 cm, sử dụng cảm ứng từ trường để thực hiện kết nối giữa các thiết bị khi có sự tiếp xúc trực tiếp hay để gần nhau.
Hình 2.4 : Giao tiếp gần NFC
2.2.1.5 Giao tiếp thông qua mạng di động có dây
Tên “hồng ngoại” có nghĩa là “dưới mức đỏ”, màu đỏ là màu sắc có bước sóng dài nhất trong ánh sáng thường. Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0 độ K đều phát ra tia hồng ngoại. Khoảng cách truyền từ 5- 15m.
NFC được phát triển dựa trên nguyên lý nhận dạng bằng tín hiệu tần số vô tuyến (Radio-frequency identification - RFID), hoạt động ở dải băng tần 13.56 MHz và tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa 424 Kbps. Khoảng cách dưới 4cm.
Sử dụng đường truyền điện thoại để điều khiển các thiết bị. Thông qua các đường bit mã hóa. Ví dụ số 1,2,3,4,5,6,7,8,9,#.*. ..vv. Khoảng cách phụ thuộc vào đường dây điện thoại cố định.
Hình 2.5 : Điện thoại cố định có dây Trong những loại giao tiếp dùng trong hệ thống điều khiển trên em chọn Bluetooth vì nó đơn giản dễ dùng và rất đơn giản thiết kế. Với phạm vi hộ gia đình thì thiết bị hoạt động rất ổn định.
2.2.2 Công nghệ không dây Bluetooth2.2.2.1 Khái niệm 2.2.2.1 Khái niệm
Bluetooth là một đặc tả công nghiệp cho truyền thông không dây tầm gần giữa các thiết 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 (Wireless Personal Area Network-PANs).
Bluetooth có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu 1Mb/s. Bluetooth hỗ trợ tốc độ truyền 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.
Thuật ngữ "Bluetooth" (có nghĩa là "răng xanh") được đặt theo tên của một vị vua Đan Mạch, vua Harald Bluetooth, người Viking nổi tiếng về khả năng giúp mọi người có thể giao tiếp, thương lượng với nhau. Vào thế kỷ thứ 10, chính vị vua này đã mang đạo Tin Lành vào Đan Mạch trong khi Ericsson là công ty đầu tiên phát triển đặc tả cho công nghệ hiện đang ngày càng thông dụng trong cuộc sống hiện đại.
2.2.2.2 Lịch sử phát triển
- Bluetooth 1.0 (7/1999): Phiên bản đầu tiên được đưa ra thị trường với tốc độ kết nối ban đầu là 1Mbps. Tuy nhiên, trên thực tế tốc độ kết nối của thế hệ này chưa bao giờ đạt quá mức 700Kbps.
- Bluetooth 1.1 (2001): Đánh dấu bước phát triển mới của công nghệ Bluetooth trên nhiều lĩnh vực khác nhau với sự quan tâm của nhiều nhà sản xuất mới.
- Bluetooth 1.2 (11/2003): Bắt đầu có nhiều tiến bộ đáng nể. Chuẩn này hoạt động dựa trên băng tần 2.4GHz và tăng cường kết nối thoại.
- Bluetooth 2.0+ERD (2004): Bắt đầu nâng cao tốc độ và giảm thiểu một nửa năng lượng tiêu thụ so với trước đây. Tốc độ của chuẩn Bluetooh lên đến 2.1 Mbps với chế độ cải thiện kết nối truyền tải – ERD (Enhanced datarate). - Bluetooth 2.1+ERD (2004): Đây chính là thế hệ nâng cấp của Bluetooth 2.0 có hiệu năng cao hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
- Bluetooth 3.0+HS (2008): Có tốc độ truyền dữ liệu đạt mức 24Mbps – bằng sóng Bluetooth – High Speed, tương đương chuẩn kết nối dữ liệu.
- Bluetooth 4.0 (30/06/2010): Chuẩn Bluetooth mới nhất hiện nay. Bluetooth 4.0 là sự kết hợp của “classic Bluetooth’’ (Bluetooth 2.1 và 3.0), “Bluetooth high speed’’ (Bluetooth 3.0+HS) và “Bluetooth low energy’’Bluetooth năng lượng thấp (Bluetooth Smart Ready/Bluetooth Smart).”
“Bluetooth low energy’’ là một phần của Bluetooth 4.0 với giao thức tiêu chuẩn của Bluetooth 1.0 và 4.0 nhằm phục vụ cho những ứng dụng năng lượng cực thấp.
Hầu hết mọi người đã quen thuộc với tai nghe Bluetooth, nhưng thực tế là nó có thể làm được nhiều hơn vậy. 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 bảng, máy tính xách tay, máy in, thiết bị định vị dùng GPS, máy ảnh số, và thiết bị chơi game cầm tay. Tất cả đã cho thấy kết nối này Bluetooth đang dần trở thành phần quan trọng trong cuộc sống hiện đại ngày nay. Để ghép hai thiết bị Bluetooth với nhau, bạn phải “pair” (kết đôi) chúng với nhau. Ví dụ, bạn có thể ghép chuột Bluetooth và máy tính, tai nghe với điện thoại hay điện thoại với laptop.Các ứng dụng nổi bật của Bluetooth gồm:
+ Điều khiển và giao tiếp không giây giữa một điện thoại di động và tai nghe không dây.
+ Mạng không dây giữa các máy tính cá nhân trong một không gian hẹp đòi hỏi ít băng thông.
+ Giao tiếp không dây với các thiết bị vào ra của máy tính, chẳng hạn như chuột, bàn phím và máy in.
+ Thay thế các giao tiếp nối tiếp dùng dây truyền thống giữa các thiết bị đo, thiết bị định vị, thiết bị y tế, máy quét mã vạch, và các thiết bị điều khiển giao 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 dùng Bluetooth khác.
+ Điều khiển từ xa cho các thiết bị trò chơi điện tử.
+ Kết nối Internet cho máy tính bằng cách dùng điện thoại di động thay modem.
2.2.2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Card Bluetooth HC052.2.2.3.1 Cấu tạo 2.2.2.3.1 Cấu tạo
Hình 2.6 : Cấu tạo của Module card Bluetooth
2.2.2.3.2 Đặc điểm kỹ thuật
- Chuẩn Bluetooth: V2.0+ERD.
- Điện áp hoạt động: 3.3-5VDC, 30mA. - Kích thước 28mm X15mm X2.35mm. - Tần số: 2.4GHz.
- Tốc độ: 2.1Mbs (Max)/160kbps
- Tốc độ baudrate mặc định 9600, 8 bít dữ liệu, 1 bít Stop. Hỗ trợ tốc độ baud: 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800.
- Nhiệt độ làm việc: -20 ~75 độ C. - Độ nhạy: -80dBm 2.1.
- Mudule có 2 chế độ làm việc: * Kết nối truyền thông.
* Đáp ứng theo lệnh: khi làm việc ở chế độ này, chúng ta có thể gửi các lệnh AT để giao tiếp và cài đặt module.
2.2.2.3.3 Nguyên lý hoạt động
- Bluetooth là chuẩn kết nối không dây tầm ngắn, thiết kế cho các kết nối thiết bị cá nhân hay mạng cục bộ nhỏ trong phạm vi băng tan từ 2.4GHz đến 2.485GHz. Bluetooth được thiết kế hoạt động trên 79 tần số đơn lẻ. Khi kết nối, nó sẽ tự động tìm ra tần số tương thích để di chuyển đền thiết bị cần kết nối trong khu vực nhằm đàm bảo sự liên tục.
- Chế độ hoạt động
* Ở chê độ SLAVE: bạn cần thiết lập kết nối từ smartphone, laptop, usb bluetooth để dò tìm module sau đó nhập với mã PIN là 1234. Sau khi đăng nhập thành công, bạn đã có 1 cổng nối tiếp (serial) từ xa hoạt động ở tốc độ truyền (baud rate) 9600.
* Ở chế độ MASTER: module sẽ tự động dò tìm thiết bị bluetooth khác (1 module bluetooth HC-06. HC05, usb bluetooth, bluetooth của laptop…) và tiến hành pair chủ động mà không cần thiết lập gì từ máy tính hoặc smartphone.
Module bluetooth HC05 có nhiều chức năng
Module bluetooth HC05 được điều khiển bằng tập lệnh AT để thực hiện các tác vụ mong muốn. Để bluetooth module chuyển từ chế độ thông thường qua điều khiển bằng lệnh AT, ta có 2 cách như sau:
*Cấp nguồn cho module bluetooth (Vcc và Gnd) đồng thời cấp mức điện áp cao (=Vcc) cho chân KEY của module bluetooth. Khi đó giao tiếp bằng tập lệnh AT với module bằng cổng Serial (Tx và Rx) với baud rate là 38400. (khuyên dùng)
*Cấp nguồn cho module bluetooth trước, sau đó cấp mức điện áp cao cho chân KEY của module bluetooth. Lúc này bạn có thể giao tiếp với module bằng tập lệnh AT với baud rate là 9600.
Sau khi pair thành công với thiết bị bluetooth khác, đèn trên module bluetooth HC05 sẽ nhấp nháy chậm cho thấy kết nối Serial đã được thiết lập.
2.2.2.3.4 Ưu nhược điểm của công nghệ Bluetooth 2.2.2.3.4.1 Ưu điểm
-Tiêu thụ năng lượng thấp.
điện thoại di động.
-Giá thành ngày một giảm.
-Khoảng cách giao tiếp cho phép giữa hai thiết bị kết nối có thể lên đến l00m. -Bluetooth sử dụng băng tần 2.4GHz, tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới mức tới đa lMbps 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 một ứng dụng khác thông qua chuẩn Bluetooth, do đó có thể độc lập về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng.
-Tính tương thích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần mềm hỗ trợ.
2.2.1.3.4.2 Nhược điểm
- Khoảng cách kết nối còn ngắn so với công nghệ mạng không dây khác. - Chỉ kết nối được hai thiết bị với nhau, không kết nối thành mạng. - Bắt sóng khi có vật cản kém. Tốc độ thấp, khoảng 720kbps trung bình.
2.2.3 Ứng dụng của Mudule Bluetooth HC-05
-Truyền tải dữ liệu không dây giữa thiết bị di động và máy tính
Chúng ta có thể ghép nối dễ dàng smartphone/tablet với một chiếc laptop thông qua Bluetooth nhằm mục đích gửi các tập tin qua lại.
Hình 2.7 : Truyền tải tệp tin qua Bluetooth giữa các thiết bị có Bluetooth -Truyền tải tập tin giữa các máy tính
Hai máy tính được kích hoạt kết nối Bluetooth cũng có thể truyền tải dữ liệu cho nhau giống như giữa máy tính và điện thoại. Với những tập tin có kích thước vừa phải, bạn sẽ không cần phải sử dụng đến các đoạn cáp kết nối nữa.
Mặc dù có thể nó không thực sự thích hợp để gửi những file nhạc dung lượng lên đến hàng trăm MB hoặc hơn nữa, nhưng Bluetooth vẫn là phương pháp thuận tiện hơn cả nếu bạn muốn gửi một vài tấm ảnh chụp cho bạn bè.
Thậm chí dù 2 mẫu máy tính của người dùng có khác hệ điều hành hoặc đang sử dụng mạng kết nối riêng biệt thì cũng
Hình 2.8 : Truyền tải tệp tin giữa máy tính và điện thoại
-Chia sẻ kết nối mạng qua Bluetooth
Một tính năng thú vị của Bluetooth là cho phép người dùng chia sẻ kết nối mạng internet của thiết bị này với một thiết bị khác. Thông thường, “Tethering” qua Bluetooth được sử dụng để vào mạng trên laptop thông qua kết nối internet của smartphone.
Hình 2.9 : Chia sẻ mạng qua Bluetooth
-Kết nối các thiết bị ngoại vi
Ngày nay, Bluetooth thường được sử dụng rất nhiều để kết nối các thiết bị ngoại vi cho smartphone, tablet hoặc laptop. Dưới đây là một số thiết bị ngoại vi mà bạn có thể kết nối không dây qua Bluetooth. - Tai nghe: Tai nghe Bluetooth là sản phẩm đặc thù được sử dụng cực kỳ phổ biến đặc biệt khi đi kèm với smartphone. Ghép nối tai nghe với điện thoại giúp bạn có thể sử dụng để đàm thoại trong khi lái xe và không thấy vướng víu như các mẫu tai nghe có dây trước đây. Các nút bấm tích hợp sẵn trên tai nghe cũng có chức năng trả lời/gác máy, do đó bạn gần như không cần thao tác trên điện thoại nữa. - Smartwatch: Đồng hồ thông minh hiện nay đa phần cũng đều sử dụng Bluetooth hoặc NFC để kết nối với smartphone. Từ đó, smartwatch có thể nhận được những thông báo về tin nhắn, cuộc gọi đến, mạng xã hội từ điện thoại một cách nhanh chóng - Chuột: Chuột Bluetooth có thể hoạt động với các model laptop, tablet và thậm chí cả smartphone. Tuy nhiên, bạn cần lưu ý rằng chuột Bluetooth thường dùng pin và một số loại có độ trễ khá cao so với chuột có dây. - Bàn phím: bàn phím cũng có thể kết nối qua Bluetooth, trong đó đặc biệt hữu ích khi sử dụng cùng máy tính bảng. Khi dùng kết nối USB thông thường, thiết bị thường bị giới hạn số cổng nhất định, nhưng với Trường hợp này điện thoại có vai trò
khá giống với modem. Cách thức chia sẻ kết nối mạng bằng Bluetooth sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn so với Wi- Fi.
Bluetooth bạn có thể kết nối đồng thời chuột và bàn phím không dây cực kỳ thuận tiện mà không lo thiếu cổng cắm. - Gamepad:
Hình 2.10 : Bluetooth để kết nối giữa máy tính với các thiết bị ngoại vi
-Trang bị kết nối Bluetooth cho máy tính để bàn
Nếu bạn sở hữu một chiếc máy tính nhưng không được tích hợp phần cứng hỗ trợ Bluetooth, bạn có thể sử dụng một số thiết bị Bluetooth gắn ngoài với giá thành khá rẻ. Hầu hết các model laptop mới đều tích hợp sẵn Bluetooth, nhưng máy tính để bàn thường thì không. Giải pháp trong tình huống này là bạn có thể mua thiết bị thu/phát Bluetooth dongle có giá bán chỉ vào khoảng 1,50 USD trên Amazon. Cắm dongle vào cổng USB của máy tính bàn, nó sẽ hoạt động như một bộ thu/phát tín hiệu Bluetooth và cho phép máy tính của bạn có thể giao tiếp với các thiết bị khác thông qua công nghệ kết nối không dây này..
Hình 2.11 : Bluetooth để kết nối với các máy tính để với nhau -Mạng Piconet
+BD: Bluetooth Device
+PDA: Personal Digital Asisstant -Mạng Scatternet
-Các liên kết vật lý
Tay cầm chơi game là một loại thiết bị đầu vào sử dụng kết nối Bluetooth. Wiimote của Nintendo hay tay cầm của PlayStation 3 cũng đều giao tiếp với máy console thông qua Bluetooth. - Máy in: Máy in hỗ trợ Bluetooth cho phép bạn in tài liệu mà không cần tới kết nối mạng Wi-Fi hoặc kết nối qua dây.
Tuy nhiên, bạn cũng cần lưu ý Bluetooth tiêu tốn khá nhiều năng lượng của thiết bị. Do đó, kích hoạt Bluetooth cả ngày mà không sử dụng tới chắc chắn là một ý tưởng tồi, đặc biệt đối với các smartphone
+Asynchronous connectionless ( ACL ) : Được thiết lập cho việc truyền dữ liệu, những gói dữ liệu cơ bản. Là một kết nối point- to- multipoint giữa Master và tất cả các Slave.
+Synchronous connection- oriented ( SCO ) : point- to- point giữa một Master và một Slave trong một Piconet.
-Các trạng thái của thiết bị Bluetooth +Inquiring device ( inquiry mode )
+Inquiring Scanning ( inquiry Scan mode ) +Paging device ( page mode )
+Page Scanning ( page scan mode )
2.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.3.1 Sơ đồ khối
Hình 2.12 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển các thiết bị trong gia đình -Khối điều khiển: Là điện thoại chạy hệ điều hành Android có cài phần mềm Bluetooth SPP. Có chức năng như một điều khiển với giao diện gồm các nút bấm, có thể dễ dàng cài đặt và đặt lại các nút bấm theo ý mình.
-Khối các thiết bị ngoại vi, bao gồm mạch điều khiển Bluetooth chính dùng