Bài viết đề xuất phương pháp chế tạo cảm biến áp lực hữu cơ dạng mềm dẻo, sử dụng màng mỏng polyurethan. Để phát triển ứng dụng cho cảm biến mới chế tạo, trong bài báo này, nhóm tác giả trình bày một phương pháp thiết kế mạch giao tiếp với cảm biến sử dụng các linh kiện có sẵn trên thị trường. Mạch giao tiếp cảm biến sử dụng module bluetooth để kết nối với điện thoại thông minh, máy tính bảng. Đồng thời nhóm tác giả cũng xây dựng phần mềm ứng dụng hiển thị và lưu thông tin cho điện thoại thông minh, máy tính bảng sử dụng hệ điều hành Android. Kết quả ứng dụng ban đầu của công trình có thể theo dõi và hiển thị chính xác dạng tín hiệu bước chân của người ở vận tốc đi bộ bình thường. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Thiết kế mạch giao tiếp với cảm biến áp lực hữu cơ, ứng dụng theo dõi bước chân trên điện thoại thông
minh, máy tính bảng Khổng Đức Chiếna*, Phạm Văn Họcb, Lê Thị Trangc, Heisuke Sakaid, Hoàng Văn Phúca*, Đào Thanh Toảnb,e*
aKhoa Vô tuyến Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn; số 236 Hoàng Quốc Việt, Cổ Nhuế 1, Bắc Từ Liêm, Hà Nội
bKhoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Giao thông Vận tải; số 3, Cầu Giấy, Đống Đa, Hà Nội
cKhoa Điện tử, Đại học Công nghiệp Hà Nội; số 298 Cầu Diễn, Minh Khai, Bắc Từ Liêm, Hà Nội
dJapan Advanced Institute of Science and Technology; 1-1 Asahidai, Nomi, Ishikawa 923-1292, Japan
eTrung tâm Nghiên cứu và Phát triển Việt-Nhật (ViJARD), Trường Đại học Giao thông Vận tải; số 3, Cầu Giấy, Đống Đa, Hà Nội
*Email: kchien.tdc@gmail.com, phuchv@mta.edu.vn, daotoan@utc.edu.vn
Abstract – Trong những năm gần đây, cảm biến áp lực hữu cơ
đang nhận được sự quan tâm rất lớn trong việc nghiên cứu cũng
như phát triển các ứng dụng Với tiềm năng ứng dụng cho IoT,
nhiều ứng dụng đã sử dụng cảm biến hữu cơ dưới dạng mang
hoặc gắn trên cơ thể kết hợp với hiển thị thông tin trên điện thoại
thông minh, máy tính bảng Trong công trình nghiên cứu gần
đây, chúng tôi đã đề xuất phương pháp chế tạo cảm biến áp lực
hữu cơ dạng mềm dẻo, sử dụng màng mỏng polyurethan Để phát
triển ứng dụng cho cảm biến mới chế tạo, trong bài báo này,
nhóm tác giả trình bày một phương pháp thiết kế mạch giao tiếp
với cảm biến sử dụng các linh kiện có sẵn trên thị trường Mạch
giao tiếp cảm biến sử dụng module bluetooth để kết nối với điện
thoại thông minh, máy tính bảng Đồng thời nhóm tác giả cũng
xây dựng phần mềm ứng dụng hiển thị và lưu thông tin cho điện
thoại thông minh, máy tính bảng sử dụng hệ điều hành Android
Kết quả ứng dụng ban đầu của công trình có thể theo dõi và hiển
thị chính xác dạng tín hiệu bước chân của người ở vận tốc đi bộ
bình thường
Keywords – Mạch giao tiếp cảm biến, IoT device, cảm biến áp
lực hữu cơ, phần mềm ứng dụng Android, tín hiệu bước chân
I GIỚI THIỆU Thời gian gần đây, các nghiên cứu phát triển các ứng
dụng chăm sóc sức khỏe, vận động sử dụng cảm biến để phân
tích sự phân bố lực của bàn chân đang thu hút được sự quan
tâm nghiên cứu của các nhóm nghiên cứu cũng như các công
ty công nghệ [1-2] Các nghiên cứu này tập trung phát triển
các ứng dụng với cảm biến hoặc hệ thống cảm biến được tính
hợp vào giầy, tất đeo chân với mục đích theo dõi sự di chuyển
của bệnh nhân hoặc các các vận động viên thể thao
Trong lĩnh vực theo dõi sức khỏe, các nghiên cứu chủ
yếu sử dụng giày có tích hợp hệ thống cảm biến để theo dõi sự
hồi phục của bệnh nhân Crosbie và Nicol [3] đã đề xuất hệ
thống theo dõi sự hồi phục của bệnh nhân chấn thương thần
kinh liên quan tới khả năng vận động, bằng cách sử dụng các
cảm biến để phân tích bước chân và sự phân bố lực trên bàn
chân khi tiếp xúc với mặt đất Các công trình nghiên cứu cũng
đã đưa ra phương pháp theo dõi sự phục hồi của bệnh nhân
sau chấn thương [4-6] và bệnh nhân đột quỵ sử dụng giày đeo
tích hợp cảm biến để thu thập các thông tin về độ dài và áp lực bước chân
Trong lĩnh vực thể thao, đáng chú ý nhất là các nghiên cứu của Salpavaara [7] và Holleczek [8] về theo dõi thời gian
và sự chuyển động bước chân của vận động viên trong các quá trình ném, nhảy và chạy ở các môn thể thao Nhiều môn thể thao cần sự kết hợp tốt của các động tác chạy, ném, nhảy để vận động viên mang lại thành tích tốt nhất Các thông tin từ kết quả phân tích thời gian và sự chuyển động của bước chân, các vận động viên có thể đạt được kết quả tốt nhất trong quá trình luyện tập, cũng như giảm thiểu các chấn thương có thể mắc phải
Trong nghiên cứu gần đây [9], chúng tôi đã thành công trong chế tạo cảm biến áp lực sử dụng màng mỏng polyurethane bằng phương pháp ép nhiệt và thử nghiệm ứng dụng trong lĩnh vực theo dõi sức khỏe công trình xây dựng Cấu tạo và đặc tính của cảm biến được thể hiện trên hình 1
Vỏ bảo vệ Plastic
Điện cực Aluminium
Màng mỏng Polyurethane
Hình 1 a) Cấu tạo; b) Đặc tính cảm biến áp lực hữu cơ sử dụng
màng mỏng polyurethane
Mặt khác, A P Hills và các cộng sự đã chỉ ra áp lực của một người trưởng thành khi di chuyển là 120 kPa [10], giá trị này nằm trong khoảng đo của cảm biến ở hình 1b, do đó cảm biến có khả năng sử dụng để theo dõi tín hiệu bước chân Vì vậy nhóm tác giả đề xuất một phương pháp thiết kế mạch giao tiếp cảm biến áp lực, kết nối không dây bluetooh với điện thoại thông minh, máy tính bảng ứng dụng trong theo dõi tín hiệu bước chân Đồng thời nhóm nghiên cứu cũng xây dựng phần mềm ứng dụng cài đặt trên điện thoại thông minh, máy
Trang 2tính bảng sử dụng hệ điều hành Android để hiển thị và lưu trữ
thông tin cảm biến Kết quả thử nghiệm cho thấy, hệ thống có
thể hiển thị chính xác tín hiệu bước chân người đi bộ
II THIẾT KẾ MẠCH GIAO TIẾP CẢM BIẾN
Mục tiêu thiết kế mạch giao tiếp cảm biến sử dụng dưới
dạng đeo hoặc gắn trên cơ thể Vì vậy tiêu chí nhỏ gọn, công
suất tiêu thụ thấp được nhóm tác giả quan tâm hàng đầu trong
việc lựa trọn lựa linh kiện sử dụng Bên cạnh đó là yếu tố giá
thành rẻ cũng như tính sẵn có phổ biến trên thị trường Qua
nghiên cứu, khảo sát, kế thừa công trình nghiên cứu trước đây
[11] nhóm thiết kế đã chọn họ vi điều khiển Atmega328 được
tích hợp trên bo mạch Arduino Nano Bo mạch Arduino Nano
[12] được tích hợp bộ ADC (Analog to Digital Converter) 10
Bit, có 8 đầu vào analog và 14 đầu ra digital rất thuận tiện để
mở rộng, nâng cấp sử dụng cho nhiều cảm biến khác nhau
Bên cạnh đó, để hiển thị tín hiệu bước chân trên điện thoại
thông minh, máy tính bảng các tác giả đã lựa chọn ngôn ngữ
lập trình Java để xây dựng phần mềm ứng dụng cài đặt trên
điện thoại thông minh, máy tính bảng sử dụng hệ điều hành
Android Vì tính phổ biến của các điện thoại, máy tính bảng sử
dụng hệ điều hành Android và hơn nữa còn hỗ trợ rất tốt các
ứng dụng mà nguồn mở
Bluetooth (HC-05)
Phần mềm ứng dụng
10 k
R 2
1 k
R 1
NE555
1 2
6
7 8 4
3
Pin Lithium polymer
ADC/
Atmega 328 A
B
Hình 1 Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp cảm biến áp lực
Sau khi lựa chọn các linh liện, sơ đồ nguyên lý mạch giao
tiếp cảm biến áp lực sử dụng module bluetooth kết nối với
điện thoại thông minh, máy tính bảng được thể hiện trên hình 1
Như được thể hiện trên hình 1, IC tạo dao động IC NE555
được nối với cảm biến qua 2 cổng A và B Khi đó tần số tín hiệu
đầu ra của NE555 được tính theo công thức:
1 ( 2 ) ln 2
Cb
f
=
Trong đó C Cb là giá trị điện dung cảm biến
Tín hiệu đầu ra của IC NE555 sau khi qua IC so sánh mức
74HC14 để chuẩn tín hiệu là xung vuông được đưa tới đầu vào
của bo mạch nhúng Arduino Nano R 1 và R 2 được chọn tương
ứng là 1 kΩ và 10 kΩ tương ứng, như vậy tần số đến chip
nhúng chỉ phụ thuộc vào điện dung của cảm biến:
4
( 2 ) ln 2
Cb
C
-´
Giá trị điện dung của cảm biến sau đó sẽ được tính qua
tần số trên cơ sở công thức (2) Vi điều khiển Atmega328
được kết nối với điện thoại thông minh, máy tính bảng thông qua module bluetooth HC-05, tín hiệu mang thông tin về điện dung được truyền bằng bluetooth tới điện thoại/máy tính bảng
để hiển thị trên màn hình của ứng dụng Android
NE555
Atmega 328
74HC14 HC05
Tới cảm biến
Hình 2 a) Mạch PCB; b) Bảng mạch của mạch giao tiếp cảm biến
kích thước (5 x 7) cm
Sau khi hoàn thiện thiết kế mạch nguyên lý, nhóm nghiên cứu đã gia công mạch PCB (Printed Circuit Board) bằng phương pháp ăn mòn tại phòng thí nghiệm Sơ đồ mạch in và hình ảnh bảng mạch giao tiếp cảm biến kích thước (5 x 7) cm sau khi hoàn thiện được trình bày ở hình 2
Các bước làm việc và chức năng chính của hệ thống (gồm phần cứng và phần mềm ứng dụng) được thể hiện trên lưu đồ hình 3 Phần mềm ứng dụng được xây dựng trên môi trường Android Studio, giúp tạo ra chương trình ổn định, nhưng vẫn đảm bảo tính tùy biến cao, phép người lập trình dễ dàng sửa đổi, bổ sung các chức năng theo mục đích sử dụng Hơn nữa phần mềm ứng dụng còn có tính tương tác cao, ngoài việc hiển thị và lưu giữ dữ liệu trên điện thoại còn có thể hỗ trợ hiển thị
và lưu dữ liệu lên server Đây là ưu điểm nổi bật để có thể phát triển các ứng dụng IoT
Khởi động
hệ thống Kết nối module HC05 Kết nối
Nhận dữ liệu từ cảm biến Tính toán, gửi thông tin tới HC05 Gửi thông tin tới phần mềm ứng dụng Hiển thị
Stop
Xem dữ liệu Lưu dữ liệu Mở file Thoát
Đúng
Đúng Sai
Sai
Start
Hình 3 Lưu đồ làm việc và các chức năng chính của hệ thống
Trang 3Như được thể hiện trên sơ đồ hình 3, sau khi khởi động hệ
thống và chạy phần mềm ứng dụng trên điện thoại thông minh,
phần mềm sẽ đưa ra yêu cầu kết nối bluetooth với module
HC05 trên mạch giao tiếp cảm biến Khi ghép nối bluetooth
xong, ấn nút Start, phần mềm bắt đầu hoạt động Khi đó các tín
hiệu nhận được từ cảm biến sẽ liên tục được gửi tới phần mềm
để hiển thị lên màn hình điện thoại Chương trình chỉ dừng lại
khi ta nhấn nút Stop Và khi đó ta có thể lực chọn các thực đơn
như lưu dữ liệu, hiển thị toàn bộ dữ liệu, hoặc mở một dữ liệu
đã được lưu trước đó
Hệ thống sau thiết kế bao gồm: cảm biến, mạch giao tiếp và
phần mềm ứng dụng cài trên điện thoại thông minh, máy tính
bảng được thể hiện trên hình 4
Cảm biến áp lực
Hình 4 Hệ thống sau thiết kế
III THỬ NGHIỆM THEO DÕI BƯỚC CHÂN
Hình 5 thể hiện hình ảnh bước chuẩn bị (5a) và quá trình
theo dõi bước chân của hệ thống thử nghiệm (5b) Mạch giao
tiếp có kích thước nhỏ gọn có thể được gắn lên giày bằng cách
tận dụng dây buộc giầy hoặc có thể được cố định bằng các loại
băng dính và keo dán thông thường Cảm biến áp lực hữu cơ
được dán dưới đế giày bằng băng dính hoặc kéo dán thông
thường Theo Thông tin từ nhà sản xuất với HC 05, có thể
truyền trong phạm vi 10 m, trong nghiên cứ này, chúng tôi ước
tính được cự ly truyền trong tầm nhìn thẳng là khoảng 10 m
Cảm biến gắn dưới đế giày
Hình 5 a) Hệ thống với cảm biến được gắn dưới đế giầy; b) Quá
trình theo dõi bước chân
Kết quả thứ nghiệm cho thấy rằng, khi sử dụng cảm biến
áp lực hữu cơ do nhóm tác giả phát triển, hệ thống có thể hiển
thị rõ ràng tín hiệu bước chân của người với vận tốc bình thường như được thể hiện trên hình 6
Nhấc chân lên Đặt chân xuống
Hình 6 Tín hiệu bước chân của người với vận tốc bình thường Khi bước chân của người thử nghiệm chạm đất, điện dung của cảm biến tăng lên, tương ứng với các đỉnh lên của xung tín hiệu được thể hiện trên màn hình điện thoại thông minh, máy tính bảng Ngược lại, khi bước chân của người thử nghiệm nhấc lên, điện dung của cảm biến giảm, tương ứng với các đỉnh xung tín hiệu xuống
IV KẾT LUẬN Trong bài báo này, nhóm tác giả đã đề xuất một phương pháp thiết kế mạch giao tiếp cảm biến áp lực hữu cơ, sử dụng các linh kiện điện tử có sẵn trên thị trường Nhóm nghiên cứu
đã xây dựng phần mềm ứng dụng hiển thị và lưu thông tin trên điện thoại thông minh, máy tính bảng chạy hệ điều hành Android Mạch giao tiếp kết nối với điện thoại thông minh, máy tính bảng bằng bluetooth Qua thử nghiệm, hệ thống sau thiết
kế có thể hiện thị chính xác tín hiệu bước chân người ở tốc độ
đi bình thường trên điện thoại thông minh, máy tính bảng Mạch giao tiếp cảm biến cũng có thể được sử dụng để phát triển các ứng dụng khác dưới dạng đeo hoặc gắn trên cơ thể người với mục đích giám sát chuyển động hoặc theo dõi sức khỏe Hướng nghiên cứu tiếp theo của nhóm tác giả là bổ sung các thuật toán xử lý tín hiệu, tăng thêm số lượng cảm biến để thu thập được đầy đủ các thông tin tín hiệu bước chân người cũng như phát triển các ứng dụng IoT khác dưới dạng đeo hoặc gắn trên cơ thể
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số: 103.02-2017.34
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] N Hegde, M Bries, E Sazonov, “A comparative review of
footwear-based wearable systems,” Electronics, 5(3), 48, 2016
[2] F Lin, A Wang, Y Zhuang, M R Tomita, W Xu, “Smart insole: A wearable sensor device for unobtrusive gait monitoring in daily
life,” IEEE Transactions on Industrial Informatics, 12(6), pp.2281-2291,
2016
[3] W J Crosbie, A C Nicol, “Reciprocal aided gait in paraplegia,” Spinal
Cord, pp.353-363, 1990
Trang 4[4] F Neaga, et al, “A wireless system for monitoring the progressive loading
of lower limb in post-traumatic rehabilitation,” International Conference
on Advancements of Medicine and Health Care through Technology, pp
54-59, Springer, Berlin, Heidelberg, 2011
[5] Wada, Chikamune, et al, “Development of a rehabilitation support
system with a shoe-type measurement device for walking,” In
Proceedings of SICE Annual Conference 2010, pp 2534-2537, 2010
[6] Edgar, S Ryan, et al, “Wearable shoe-based device for rehabilitation of
stroke patients,” Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC),
2010 Annual International Conference of the IEEE, pp 3772-3775, 2010
[7] Salpavaara, Timo, et al, “Wireless insole sensor system for plantar force
measurements during sport events,” In Proceedings of IMEKO XIX World
Congress on Fundamental and Applied Metrology, pp 2118-2123, 2009
[8] Holleczek, Thomas, et al, “Textile pressure sensors for sports
applications,” Sensors, pp 732-737, IEEE, 2010
[9] Khổng Đức Chiến, Hoàng Văn Phúc, Đào Thanh Toản, “Chế tạo cảm
biến áp lực sử dụng vật liệu Polyme, ứng dụng trong tự động theo dõi sức
khỏe công trình xây dựng,” Tạp chí nghiên cứu KH & CNQS, ISSN: 1859
- 1043, số 56, pp 47-54, 2018
[10] A P Hills, E M Hennig, M McDonald, O Bar-Or, “Plantar pressure
differences between obese and non-obese adults: a biomechanical
analysis,” International journal of obesity, pp.1674-1679, 2001
[11] Khổng Đức Chiến, Phạm Xuân Tùng, Đặng Ngọc Tú, Heisuke Sakai, Hoàng Văn Phúc, Đào Thanh Toản, “ Xây dựng và hiệu chỉnh mạch đọc
cảm biến áp lực hữu cơ,” Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia 2017 về Truyền
thông và Công nghệ thông tin, ISBN: 978-604-67-1021-9, pp 206-210,
2017
[12] https://store.arduino.cc/arduino-nano, truy cập: Sep 30 th 2018
