Robot hỗ trợ trẻ em học tập

Trình bày các mạch đã thiết kế và trình tự lắp ráp thi công mô hình, board điều khiển Robot, lập trình điều khiển Robot và lập trình cho ứng dụng trên điện thoại.. Đa số trẻ trong giai đ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o

Tp HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Nguyễn Quốc Thái MSSV: 14141290

Nguyễn Phước Tài MSSV: 14141269 Chuyên ngành: CNKT Điện tử - Truyền thông Mã ngành: 141

I TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ ROBOT HỖ TRỢ TRẺ EM HỌC TẬP

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

Nguyễn Văn Hiệp, Đinh Quang Hiệp, “Giáo trình lập trình Android Cơ Bản”,

NXB Đại Học Quốc Gia Tp.HCM, 2015

2 Nội dung thực hiện:

Xây dựng mô hình Robot có thể di chuyển, phát nhạc, phát giọng nói, kích

thước nhỏ gọn Sử dụng Arduino UNO R3 và Shield L293D làm bộ điều khiển trung tâm điều khiển các động cơ Module HC-05 làm trung gian giao tiếp

Bluetooth giữa vi xử lý Arduino và ứng dụng trên điện thoại

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/03/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/07/2018

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Văn Hiệp

- Gặp GVHD để phổ biến quy định: thực hiện chọn

đề tài, tên đề tài, thời gian làm việc

3

(16/04 - 22/04)

- Tìm hiểu tổng quan về Arduino

- Tìm hiểu về cách thức lập trình ứng dụng trên điện thoại với Android Studio

- Thi công mạch, xây dựng mô hình

- Lập trình ứng dụng trên điện thoại

9

(28/05 - 03/06)

- Kiểm tra, hoàn thiện mô hình, chạy thử và sửa lỗi

- Viết báo cáo

10

(11/06 - 17/06)

- Kiểm tra, hoàn thiện mô hình, chạy thử và sửa lỗi

- Viết báo cáo

11

(18/06 - 24/06)

- Kiểm tra, hoàn thiện mô hình, chạy thử và sửa lỗi

- Viết báo cáo

- Nộp quyển báo cáo và báo cáo đề tài

- Thiết kế Slide báo cáo

GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)

v

Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Quốc Thái – Nguyễn Phước Tài

“Đi khắp thế gian không ai tốt bằng mẹ” “Gánh nặng cuộc đời không ai khổ bằng cha” Chúng con cảm ơn Cha Mẹ, đã sinh ra chúng con và nuôi dưỡng chúng con cho đến ngày trưởng thành Cảm ơn Cha Mẹ, về những tháng ngày nhọc nhằn đã làm Cha Mẹ còng lưng Đã hy sinh tất cả cuộc đời để cho chúng con có ngày hôm nay, được học tập, được trưởng thành… Chúng con yêu Cha Mẹ nhiều Chúng con xin gửi đến Cha Mẹ lời biết ơn chân thành nhất, hy vọng Cha Mẹ luôn sống vui tươi

và mãi mãi ở bên chúng con

Để có thể hoàn thành đề tài này, nhóm sinh viên thực hiện xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy/Cô trong khoa Đào Điện Điện Tử, trường Đại học Sư Phạm

Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu, chỉ dẫn và định hướng cho nhóm trong quá trình học tập Đây là những tiền đề để nhóm có thể hoàn thành được đề tài cũng như trong sự nghiệp sau này

Đặc biệt, nhóm xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Văn Hiệp đã tận tình

hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp Nhóm xin được phép gửi đến thầy lòng biết ơn và lời cảm ơn chân thành

và sâu sắc nhất Kiến thức, kinh nghiệm và cái tâm nghề nghiệp của thầy đã không những đã giúp đỡ nhóm hoàn thành tốt đề tài mà còn là tấm gương để nhóm học tập

và noi theo trên con đường sau này

Bên cạnh đó, nhóm cũng xin cảm ơn các anh, chị khóa trước cũng như các bạn sinh viên trong lớp 14141DT1 đã nhiệt tình đóng góp ý kiến và chia sẽ kinh nghiệm

để giúp nhóm hoàn thành đề tài này

Cuối cùng, mặc dù đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài đặt ra và đảm bảo

thời hạn nhưng do kiến thức còn hạn hẹp chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, mong Thầy/Cô và các bạn sinh viên thông cảm Nhóm mong nhận được những ý kiến của Thầy/Cô và các bạn sinh viên

Xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, ngày 01 tháng 7 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Quốc Thái Nguyễn Phước Tài

vii

TRANG

TRANG PHỤ BÌA i

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii

LỜI CAM ĐOAN v

LỜI CẢM ƠN vi

MỤC LỤC vii

LIỆT KÊ HÌNH ẢNH ix

LIỆT KÊ BẢNG xii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii

TÓM TẮT xiv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤNĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN 2

1.5 BỐ CỤC 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA TRẺ EM TỪ 2-5 TUỔI 4

2.1.1 Sự phát triển thể chất của trẻ em 4

2.1.2 Sự phát triển tâm lý của trẻ em 5

2.1.3 Sự phát triển cảm xúc và ngôn ngữ 6

2.1.4 Những vấn đề tương tác giữa trẻ em và thiết bị 7

2.2 GIỚI THIỆUVỀHỆĐIỀU HÀNH ANDROID 7

2.2.1 Giới thiệu hệ điều hành Android 7

2.2.2 Lịch sử hệ điều hành Android 8

2.2.3 Ứng dụng cho hệ điều hành Android 10

2.2.4 Phiên bản hệ điều hành Android 11

2.2.5 Đặc điểm hệ điều hành Android 12

2.2.6 Kiến trúc cơ bản của hệ điều hành Android 13

2.3 GIỚI THIỆUVỀ BLUETOOTH 15

2.3.1 Định nghĩa 15

2.3.2 Đặc điểm 15

2.3.3 Phương thức hoạt động Bluetooth 16

2.4 GIỚI THIỆUĐIỀUKHIỂNĐỘNGCƠ DC (PWM) 16

2.4.1 Giới thiệu 16

2.4.2 Nguyên lý 17

2.4.3 Cách tạo ra PWM để điều khiển 18

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾTKẾHỆTHỐNG 20

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 20

3.2.2 Tính toán và thiết kế 21

3.3 THIẾT KẾ APP ỨNG DỤNG 33

3.3.1 Yêu cầu 33

3.3.2 Thiết kế ứng dụng 34

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 38

4.1 GIỚI THIỆU 38

4.2 THI CÔNG MÔ HÌNH ROBOT 38

4.3 THI CÔNG BOARD ĐIỀUKHIỂN ROBOT 40

4.3.1 Thi công board mạch 40

4.3.2 Lắp ráp và kiểm tra 40

4.4 LẬP TRÌNH ĐIỀUKHIỂN ROBOT 42

4.4.1 Lưu đồ giải thuật 42

4.4.2 Lập trình điều khiển Robot 49

4.5 LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG 51

4.5.1 Giới thiệu phần mềm lập trình Android Studio 51

4.5.2 Lập trình ứng dụng 51

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 58

5.1 KẾT QUẢ 58

5.1.1 Kết quả nghiên cứu: 58

5.1.2 Kết quả thi công: 58

5.2 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 67

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69

6.1 KẾT LUẬN 69

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

ix

Hình 2.1 Sơ đồ kiến trúc hệ điều hành Android 13

Hình 2.2 Biểu đồ PWM 17

Hình 3.1 Sơ đồ kết nối tổng quát 19

Hình 3.2 Sơ đồ khối của hệ thống 20

Hình 3.3 Kích thước các module trong mô hình 21

Hình 3.4 Động cơ DC 23

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý Motor Driver Shield L293D 23

Hình 3.6 Sơ đồ kết nối Motor Driver Shield L293D và Arduino Uno R3 24

Hình 3.7 Board mạch Arduino Uno R3 25

Hình 3.8 Sơ đồ kết nối SRF – 04 và Arduino Uno R3 27

Hình 3.9.Giản đồ thời gian SRF - 04 27

Hình 3.10 Sơ đồ kết nối Servo G90 và Arduino Uno R3 29

Hình 3.11 Module HC - 05 29

Hình 3.12 Sơ đồ kết nối Bluetooth HC – 05 và Arduino Uno R3 31

Hình 3.13 Pin Lithium Ion 32

Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 33

Hình 3.15 Giao diện màn hinh bắt đầu 34

Hình 3.16 Giao diện màn hình các mục lựa chọn 35

Hình 3.17 Giao diện màn hình lựa chọn “Tiếng Anh” và “Tiếng Việt” 35

Hình 3.18 Giao diện màn hình “Học chữ” 36

Hình 3.19 Giao diện màn hình “Luyện tập” 36

Hình 3.20 Giao diện màn hình “Nghe truyện cổ tích” 37

Hình 4.1 Mặt dưới mô hình 38

Hình 4.2 Mặt trên mô hình 39

Hình 4.3 Mô hình tổng quát 39

Hình 4.4 Mô hình kết nối Arduino Uno R3 và Shield L293D 40

Hình 4.5 Giá đỡ cảm biến SF04 41

Hình 4.6 Mô hình kết nối động cơ DC và Shield L293D 41

Hình 4.7 Đế nguồn 41

Hình 4.8 Lưu đồ chương trình chính của hệ thống 42

Hình 4.11 Lưu đồ chương trình con dò hướng 45

Hình 4.12 Lưu đồ chương trình con so sánh khoảng cách 46

Hình 4.13 Lưu đồ chương trình con rẽ trái 47

Hình 4.14 Lưu đồ chương trình con rẽ phải 48

Hình 4.15 Giao diện phần mềm IDE 49

Hình 4.16 Chức năng các Icon trong phần mềm IDE 49

Hình 4.17 Giao diện Arduino IDE 50

Hình 4.18 Chương trình đã viết 50

Hình 4.19 Lưu đồ chương trình giao diện màn hình bắt đầu 52

Hình 4.20 Giao diện màn hình bắt đầu ứng dụng Bé Học Mẫu Giáo 53

Hình 4.21 Lưu đồ chương trình con danh sách lựa chọn 54

Hình 4.22 Giao diện các mục tùy chọn trong app Bé Học Mẫu Giáo 55

Hình 4.23 Lưu đồ chương trình con giao diện “Bé học hình dạng” 56

Hình 4.24 Giao diện “Bé học hình dạng” 57

Hình 5.1 Mô hình phía trước 59

Hình 5.2 Mô hình nhìn ngang 59

Hình 5.3 Mô hình phía sau 60

Hình 5.4 Mô hình phía trên 60

Hình 5.5 Giao diện bắt đầu 61

Hình 5.6 Giao diện các mục tùy chọn 61

Hình 5.7 Giao diện chọn học chữ cái Tiếng Anh hoặc Tiếng Việt 62

Hình 5.8 Giao diện “Học chữ cái Tiếng Anh” 62

Hình 5.9 Giao diện “Học chữ cái Tiếng Việt” 63

Hình 5.10 Giao diện “Bé học hình dạng” 63

Hình 5.11 Giao diện “Bé học số” 64

Hình 5.12 Giao diện “Bé học con vật” 64

Hình 5.13 Giao diện “Bé luyện chữ” 65

Hình 5.14 Giao diện “Bé luyện hình dạng” 65

Hình 5.15 Giao diện “Bé luyện số” 66

Hình 5.16 Giao diện “Bé luyện con vật” 66

xi

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 2.1 Một số phiên bản hệ điều hành Android 11

Bảng 3.1 Tổng khối lượng các linh kiện 22

Bảng 3.2 Thông số mạch Arduino Uno R3 26

Bảng 3.3 Chức năng các chân HC – 05 30

Bảng 3.4 Dòng và điện áp tiêu thụ của các thiết bị 31

xiii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 IC Integrated Circuit

2 IoT Internet of Things

3 IDE Integrated Development Environment

4 GPIO General-purpose input/output

5 I2C Inter-Integrated Circuit

11 MCU Microprocessor Control Unit

12 UART Universal Asynchronous Receiver –

Transmitter

13 LCD Liquid Crystal Display

14 HTML Hyper Text Markup Language

15 HTTP Hyper Text Transfer Protocol

16 DVM Dalvik Virtual Machine

17 PWM Pulse Width Modulation

Với xu hướng phát triển của xã hội, văn minh nhân loại, những tiến bộ gần đây trong các thuật toán lập trình và trí tuệ nhân tạo, khả năng Robot dịch chuyển từ xưởng, nhà máy tới trường học và nhà, thậm chí chăm sóc và dạy dỗ những đứa trẻ sẽ chỉ còn trong tương lai Những con Robot ngày nay không chỉ đơn thuần phục vụ như một thiết bị giải trí Nghiên cứu cho thấy Robot sẽ đóng vai trò quan trọng trong

sự phát triển cảm xúc, xã hội và nhận thức của trẻ

Robot là sản phẩm giúp trẻ tiếp xúc với công nghệ, nhất là điện thoại thông minh với mục đích học tập thay vì chơi các trò chơi Góp phần giúp trẻ phát triển văn hóa giao tiếp, hòa nhập bằng việc giao tiếp Robot tránh các trường hợp sử dụng điện thoại dẫn đến tự kỉ Tiếp xúc các kiến thức nền tảng bằng các ứng dụng học tập được lập trình và nạp vào điện thoại Các bậc phụ huynh có thể kiểm soát được thời gian chơi của trẻ em thông phần mềm được tích hợp sẵn trong Robot Vì vậy chúng tôi chọn đề tài “THIẾT KẾ ROBOT HỖ TRỢ TRẺ EM HỌC TẬP “ Chúng có thể là trợ lý đắc lực ở các trường mầm non giúp trẻ học các kỹ năng về toán học, ngữ pháp

và ngôn ngữ Theo đó, nền giáo dục tự động hóa sẽ đóng vai trò chủ chốt Giáo viên chỉ làm trợ giảng, hỗ trợ chuẩn bị dụng cụ cho buổi học, việc truyền đạt kiến thức sẽ

do Robot đảm nhiệm

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Theo dự báo, sau kỷ nguyên Internet sẽ là kỷ nguyên Robot Trong vòng 20 năm nữa, mỗi người hay mỗi gia đình sẽ cần một Robot thay cho một chiếc máy tính cá nhân như hiện nay Để có thể hội nhập và phát triển trong xu thế đó, Việt Nam đang

đi theo hướng phát triển Robot, tiến hành cuộc Cách mạng Công nghệ và tự động hóa… Vì vậy, đất nước cần có một đội ngũ các nhà khoa học, chuyên gia tâm huyết,

có hiểu biết và năng lực thực sự trong lĩnh vực này Tuy nhiên, với tình hình hiện nay thì chưa thể đáp ứng được, giải pháp mà chúng tôi lựa chọn chính là ươm mầm tài năng cho thế hệ trẻ tương lai, đưa Robot vào chương trình giảng dạy và cho các em làm quen với bộ môn Khoa học Công nghệ này theo một cách dễ dàng và đầy hứng thú

Chúng tôi hoàn toàn có thể cho trẻ làm quen với Robot bằng những bước khởi đầu cơ bản nhất như chơi mà học, học mà chơi, sẽ không làm quá tải, ngược lại giúp các em giải trí lành mạnh sau các giờ học căng thẳng, giúp kích thích khả năng sáng tạo và tự khám phá thế giới khoa học mà các em yêu thích

Việc học thông qua Robot còn mang lại rất nhiều lợi ích khác Nó giúp các em

có thể vận dụng, kết hợp tốt các môn đã học như toán, vật lý, tin học, ngoại ngữ, xây dựng và củng cố các kỹ năng mềm như làm việc nhóm, giải quyết vấn đề… chuẩn bị hành trang, tri thức để các em có thể tự tin hòa nhập với thế giới

Chúng tôi đã quyết định thực hiện đề tài: “THIẾT KẾ ROBOT HỖ TRỢ TRẺ

EM HỌC TẬP” sử dụng Arduino UNO R3 và Shield L293D làm bộ điều khiển trung

tâm điều khiển các động cơ Module HC - 05 làm trung gian giao tiếp Bluetooth giữa

vi xử lý Arduino và ứng dụng trên điện thoại

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

• Tìm hiểu tổng quan về các module Arduino, Shield L293D, Bluetooth, cảm biến, Servo

• Viết chương trình giao tiếp giữa các module Arduino, Shield, cảm biến, Bluetooth, Servo

• Viết chương trình ứng dụng trên điện thoại sử dụng Android Studio

• Giao tiếp giữa vi xử lý Arduino và ứng dụng trên điện thoại qua Bluetooth

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Các nội dung mà nhóm cần thực hiện bao gồm:

• NỘI DUNG 1: Tìm hiểu ưu điểm, nhược điểm của mô hình Robot trong việc giáo dục trẻ ở các trường học

• NỘI DUNG 2: Đưa ra các giải pháp khắc phục, thiết kế mô hình phù hợp, thiết

kế các khối điều khiển

• NỘI DUNG 3: Thiết kế và thi công mạch giao tiếp với Arduino, Shield L293D, Servo, cảm biến siêu âm SRF-04

• NỘI DUNG 4: Thiết kế và thi công mạch giao tiếp với Bluetooth HC - 05 và ứng dụng điện thoại

• NỘI DUNG 5: Viết chương trình điều khiển cho Arduino, Shield L293D, Servo, cảm biến siêu âm SRF - 04 và Bluetooth bằng Arduino IDE

• NỘI DUNG 6: Viết chương trình cho Bluetooth HC - 05 và ứng dụng điện thoại bằng Android Studio

• NỘI DUNG 7: Lắp ráp các khối và tiến hành điều khiển thử nghiệm các thiết

bị

• NỘI DUNG 8: Chỉnh sửa các lỗi xuất hiện

• NỘI DUNG 9: Viết báo cáo thực hiện

1.4 GIỚI HẠN

❖ Các giới hạn của đề tài:

• Động cơ DC điều khiển bánh xe Robot di chuyển

• Sử dụng Arduino và Shield L293D điều khiển động cơ DC

• Sử dụng Servo G90 hỗ trợ cảm biến siêu âm SRF - 04 hoạt động

• Sử dụng phần mềm Android Studio viết ứng dụng

1.5 BỐ CỤC

❖ Chương 1: Tổng quan

Trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

❖ Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày một số nghiên cứu về sự phát triển của trẻ em từ 2 – 5 tuổi, giới thiệu chung hệ điều hành Android, Bluetooth và các động cơ DC(PWM)

❖ Chương 3: Tính toán thiết kế

Trình bày sơ đồ khối hệ thống, cách tính toán các thông số kỹ thuật của các khối

sử dụng, thiết kế các khối với yêu cầu đặt ra ban đầu

❖ Chương 4: Thi công hệ thống

Trình bày các mạch đã thiết kế và trình tự lắp ráp thi công mô hình, board điều khiển Robot, lập trình điều khiển Robot và lập trình cho ứng dụng trên điện thoại

❖ Chương 5: Kết quả_ Nhận xét_ Đánh giá

Trình bày các kết quả đạt được, chưa đạt được, đưa ra đánh giá về những kết quả đạt được so với mục tiêu ban đầu

❖ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đề ra các phương án khắc phục và hướng phát triển của đề tài

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA TRẺ EM TỪ

2-5 TUỔI

2.1.1 Sự phát triển thể chất của trẻ em

Các chỉ số đánh giá sự phát triển thể chất trẻ em bao gồm: Chiều cao, cân nặng, vòng đầu

a Tăng trưởng về chiều cao

Tăng trưởng nhanh từ 0 - 4 tuổi: 50 cm lúc sinh, 100 cm lúc 4 tuổi Tăng trưởng trung bình 5 - 6 cm/năm từ 4 tuổi đến tuổi bắt đầu tuổi dậy thì Giảm dần và ngừng tăng trưởng vào cuối tuổi dậy thì

Bình thường đứa trẻ phát triển trong vùng tăng trưởng về chiều cao bình thường của nó Nếu như trong quá trình theo dõi thấy có sự thay đổi về vùng tăng trưởng chiều cao phản ánh một sự quá phát triển hoặc một sự kém phát triển về tốc độ tăng trưởng, cả 2 đều biểu hiện sự bất thường [7]

Dùng công thức sau để tính nhanh một cách ước lượng chiều cao của trẻ:

N: số tuổi của trẻ lớn hơn 1 tuổi

b Tăng trưởng về cân nặng

Theo dõi sự phát triển cân nặng bằng biểu đồ DS hoặc biểu đồ Percentile Cũng

có ý nghĩa giống như theo dõi sự phát triển chiều cao bằng biểu đồ

Trong thực hành lâm sàng có thể sử dụng công thức tính nhanh sau đây khi trong tay không có sẵn biểu đồ biểu diễn chiều cao, cân nặng, vòng đầu [9]:

• Cân nặng trẻ dưới 6 tháng tuổi = Cân nặng lúc sinh + 600 (n)

• Cân nặng trẻ trên 6 tháng = Cân nặng lúc sinh + 500 (n)

Trong đó n là số tháng, N là số tuổi

c Tăng trưởng về vòng đầu

Tăng trưởng não bộ tăng nhanh trong năm đầu và gần như kết thúc vào 6 tháng tuổi Để theo dõi sự tăng trưởng của vòng đầu sẽ đo đường kính của vòng đầu và theo

dõi bằng biểu đồ DS (SD) hoặc biểu đồ Percentile Có công thức tính mối liên quan giữa vòng đầu của trẻ 1 tuổi và chiều cao như sau [11]: PC = T/2 + 10 (2.2) Trong đó: PC: đường kính vòng đầu, T: chiều cao

❖ Vòng đầu của trẻ từ 1 tháng đến 5 tuổi:

• Trẻ sơ sinh đủ tháng có vòng đầu trung bình 30 ± 1,83 cm

• 3 tháng đầu tăng gần 3cm/tháng sau đó chậm dần

• 1 tuổi: được 43 ± 1.5cm, năm đầu vòng đầu của trẻ tăng được gần 15cm

• 2 - 3 tuổi mỗi năm tăng 2cm sau đó mỗi năm tăng được 0,5 - 1cm

• Đến 5 tuổi vòng đầu: 45 - 50cm

2.1.2 Sự phát triển tâm lý của trẻ em

Nếu nói rằng giai đoạn từ 0 đến 3 tuổi là giai đoạn kiến tạo những cấu trúc về mặt cơ thể và tâm lý thì giai đoạn từ 3 - 5 tuổi là giai đoạn tiếp nhận những kỹ năng

và kiến thức làm nền tảng cho sự hình thành nhân cách và năng lực Vì thế, khi trẻ được 5 tuổi thì bé đã có khả năng tiếp thu một lượng kiến thức không nhỏ Theo A.X

Macarenco, một nhà giáo dục nổi tiếng của Nga thì: “Nền tảng của giáo dục chủ yếu

được xây dựng từ khi trước 5 tuổi, nó chiếm đến 90% chất lượng của cả quá trình giáo dục” [9]

Chúng ta có thể thấy rõ điều này khi chứng kiến những hoạt động chơi đùa không mệt mỏi của các em, không chỉ là sự vui thích mà trẻ còn có khả năng tập trung

để hiểu và chấp nhận luật lệ của các trò chơi, còn trong lớp thì đã biết ngồi yên để lắng nghe các câu chuyện kể Đa số trẻ trong giai đoạn này phát triển tốt kỹ năng sử dụng bàn tay, biết cầm viết chì và cắt bằng kéo, nhận ra phần lớn các mẫu tự và cách đọc các mẫu tự này, nhận ra sự khác biệt của các hình khối, biết phân biệt lớn – bé , cao – thấp, xa – gần…Vì thế, một mặt phụ huynh cần phải tích cực giúp các em thu đạt được những kỹ năng quan trọng và cần thiết, nhưng mặt khác không nên nhồi nhét những điều vượt quá mức phát triển mà các em có thể đạt được để khi bước vào lớp Một, có thể làm trẻ sớm mệt mỏi trước khối lượng kiến thức khá lớn mà trẻ sẽ phải tiếp thu trong suốt thời gian ở tiểu học (Cấp 1) để rồi sẽ gặp nhiều khó khăn ở các cấp học cao hơn [8]

2.1.3 Sự phát triển cảm xúc và ngôn ngữ

Ở lứa tuổi này, tình cảm đã bắt đầu phức tạp và phân hóa, từ quan hệ gắn bó mẹ

- con, trẻ bắt đầu có nhu cầu giao lưu tình cảm nhiều hơn giữa mẹ - con ở trẻ trai và

bố - con ở trẻ gái Trẻ đòi hỏi sự quan tâm chăm sóc một cách cụ thể và đa dạng hơn,

vì vậy đã xuất hiện ở trẻ những biểu hiện về tình cảm rõ ràng cũng như những phản ứng chống đối dưới nhiều hình thức khác nhau Điều này khiến cho trẻ dễ có những tổn thương sâu sắc nếu không nhận được sự cảm thông hay được đáp ứng từ phía cha

mẹ

Hoạt động và sở thích của trẻ 5 tuổi xoay quanh gia đình và nhà trường Trẻ thích chơi với đồ chơi của mình ở nhà nhưng cũng biết chia sẻ đồ chơi với bạn bè ở trường Ngoài các buổi học thì một vài buổi học vẽ hay chơi thể thao mỗi tuần không phải là nhiều, nhưng đừng bắt trẻ tham gia quá nhiều hoạt động ngoại khóa trong giai đoạn này vì đây mới chỉ là những bước khởi động cho cả một hành trình dài sau khi trẻ đã vào lớp Một Trẻ 5 tuổi vẫn thích chơi qua trí tưởng tượng Con gái thường thích chơi nấu nướng, chăm sóc búp bê, tái hiện cuộc sống ở gia đình và nhà trường trong khi chơi Con trai bên cạnh việc chơi những trò chơi sắm vai làm siêu nhân hay hiệp sĩ, robot hay quái vật… cũng có thể chơi như vậy, nếu như không bị diễu cợt và chắc chắn là chúng ta không nên diễu cợt! Ở lứa tuổi này trẻ dễ có sự sợ hãi các con vật, bóng tối và một số người chung quanh đã vô tình hay cố ý hù doạ trẻ Điều này cũng một phần do tác động từ các câu chuyện kể và do sự phát triển trí tưởng tượng khá phong phú của trẻ [7]

Đây là lứa tuổi phát triển khá hoàn chỉnh về khả năng giao tiếp, trẻ có thể nói những câu đầy đủ, đôi khi phức tạp cũng như hiểu được những câu nói dài của người khác Điều này là cơ sở cho trẻ tiếp nhận những kiến thức của lớp Một và các cấp học tiếp theo Mặc dù vậy, khi giao tiếp với trẻ, chúng ta vẫn không nên sử dụng lối nói với những ý nghĩa ẩn dụ, nước đôi theo kiểu, nói vậy mà không phải vậy! Vì có thể gây ra những hiểu lầm, hay khiến cho trẻ có những nhận thức tiêu cực về bản thân và

sự hiểu biết sai lệch về người khác

Trong lứa tuổi này, trẻ có thể dễ dàng tiếp nhận một ngoại ngữ và cả những từ ngữ thô tục “không có trong từ điển” Vì thế đây là một “đối tác” quan trọng cho các

cơ sở dạy ngoại ngữ, và họ đã vận dụng nhiều kỹ xảo chiêu sinh khác nhau khiến cho nhiều bậc cha mẹ bị thu hút nên đã tìm cách thúc đẩy con đi học ngoại ngữ mà không

quan tâm đến cá tính, sở thích hay năng lực thực sự của trẻ, có phù hợp với những kiến thức đó hay không Điều này vô tình đã đặt một áp lực lên trên đứa trẻ, khiến cho một số trẻ chưa đến trường mà đã trở nên “ngán” chuyện đi học [9]

2.1.4 Những vấn đề tương tác giữa trẻ em và thiết bị

Tương tác với trẻ bằng sự giao tiếp không lời như là cử động cơ thể và biểu hiện gương mặt

• Thứ nhất, gọi là tương tác có kịch bản - nghĩa là một số cử động cơ thể được lập trình trước

• Thứ hai, một hệ thống kiểm soát giúp giáo viên kiểm soát cử động robot từ xa

• Thứ ba, trẻ em có thể nắm quyền kiểm soát robot

Robot chạy trong không gian và phát ra âm thanh sinh động làm kích thích sự

tò mò của trẻ

Dạy trẻ học tập bằng ứng dụng trên điện thoại

Sử dụng các công cụ nhận diện cảm xúc của mình (như công cụ phân tích giọng nói, biểu hiện trên khuôn mặt và các tín hiệu phi ngôn ngữ khác)

Robot trong gia đình có thể làm phong phú thêm các kỹ năng nhận thức của trẻ

em khi ở nhà như giúp trẻ giải quyết những vấn đề toán học và tập đọc

Giúp trẻ em nâng cao kỹ năng ngôn ngữ chính và xây dựng từ vựng lớn hơn thông qua các hoạt động kể chuyện

Mục tiêu thiết kế các robot xã hội không phải thay thế con người mà để hỗ trợ con người

2.2 GIỚI THIỆU VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID

2.2.1 Giới thiệu hệ điều hành Android

Android là một hệ điều hành dựa trên nền tảng Linux được thiết kế dành cho các thiết bị di động có màn hình cảm ứng như điện thoại thông minh và máy tính bảng Ban đầu, Android được phát triển bởi Tổng công ty Android, với sự hỗ trợ tài chính từ Google và sau này được chính Google mua lại vào năm 2005 Android ra mắt vào năm 2007 cùng với tuyên bố thành lập Liên minh thiết bị cầm tay mở Một hiệp hội gồm các công ty phần cứng, phần mềm và viễn thông với mục tiêu đẩy mạnh

các tiêu chuẩn mở cho các thiết bị di động Chiếc điện thoại đầu tiên chạy Android được bán vào tháng 10 năm 2008

Android có mã nguồn mở và Google phát hành mã nguồn theo Giấy phép Apache Chính mã nguồn mở cùng với một giấy phép không có nhiều ràng buộc đã cho phép các nhà phát triển thiết bị, mạng di động và các lập trình viên nhiệt huyết được điều chỉnh và phân phối Android một cách tự do Ngoài ra, Android còn có một cộng đồng lập trình viên đông đảo chuyên viết các ứng dụng để mở rộng chức năng của thiết bị, bằng một loại ngôn ngữ lập trình Java có sửa đổi Vào tháng 10 năm

2012, có khoảng 700.000 ứng dụng trên Android, và số lượt tải ứng dụng từ Google Play, cửa hàng ứng dụng chính của Android, ước tính khoảng 25 tỷ lượt

Những yếu tố này đã giúp Android trở thành nền tảng điện thoại thông minh phổ biến nhất thế giới, vượt qua Symbian vào quý 4 năm 2010, và được các công ty công nghệ lựa chọn khi họ cần một hệ điều hành không nặng nề, có khả năng tinh chỉnh, và giá rẻ chạy trên các thiết bị công nghệ cao thay vì tạo dựng từ đầu Kết quả

là mặc dù được thiết kế để chạy trên điện thoại và máy tính bảng, Android đã xuất hiện trên TV, máy chơi game và các thiết bị điện tử khác Bản chất mở của Android cũng khích lệ một đội ngũ đông đảo lập trình viên và những người đam mê sử dụng

mã nguồn mở để tạo ra những dự án do cộng đồng quản lý Những dự án này bổ sung các tính năng cao cấp cho những người dùng thích tìm tòi hoặc đưa Android vào các thiết bị ban đầu chạy hệ điều hành khác [5]

Android chiếm 75% thị phần điện thoại thông minh trên toàn thế giới vào thời điểm quý 3 năm 2012, với tổng cộng 500 triệu thiết bị đã được kích hoạt và 1,3 triệu

lượt kích hoạt mỗi ngày Cho đến nay, số liệu thống kê từ hãng Gartner trong

Q2/2017 cho thấy, Android vẫn là một thế lực khó đánh bại về lâu dài Số liệu thống

kê sau khi phân tích doanh số smartphone trong Q2/2017 tiết lộ, doanh thu di động toàn cầu đạt 366,2 triệu đơn vị, tăng 6,7% so với cùng kỳ năm 2016 Sự thành công của hệ điều hành cũng khiến nó trở thành mục tiêu trong các vụ kiện liên quan đến bằng phát minh, góp mặt trong cái gọi là "cuộc chiến điện thoại thông minh" giữa các công ty công nghệ [6]

2.2.2 Lịch sử hệ điều hành Android

Tổng công ty Android (Android, Inc) được thành lập tại Palo Alto,

California vào tháng 10 năm 2003 bởi Andy Rubin (đồng sáng lập công ty Danger), Rich Miner (đồng sáng lập Tổng công ty Viễn thông Wildfire), Nick Sears (từng là Phó giám đốc T-Mobile) và Chris White (trưởng thiết kế và giao diện tại WebTV) để phát triển, theo lời của Rubin, "các thiết bị di động thông minh hơn

có thể biết được vị trí và sở thích của người dùng" Dù những người thành lập và nhân viên đều là những người có tiếng tăm Tổng công ty Android hoạt động một cách âm thầm, chỉ tiết lộ rằng họ đang làm phần mềm dành cho điện thoại di động Trong năm

đó, Rubin hết kinh phí Steve Perlman, một người bạn thân của Rubin, mang cho ông 10.000 USD tiền mặt nhưng từ chối tham gia vào công ty

Google mua lại Tổng công ty Android vào ngày 17 tháng 8 năm 2005, biến nó thành một bộ phận trực thuộc Google Những nhân viên của chủ chốt của Tổng công

ty Android, gồm Rubin, Miner và White, vẫn tiếp tục ở lại công ty làm việc sau thương vụ này Vào thời điểm đó không có nhiều thông tin về Tổng công ty, nhưng nhiều người đồn đoán rằng Google dự tính tham gia thị trường điện thoại di động sau bước đi này Tại Google, nhóm do Rubin đứng đầu đã phát triển một nền tảng thiết

bị di động phát triển trên nền nhân Linux Google quảng bá nền tảng này cho các nhà sản xuất điện thoại và các nhà mạng với lời hứa sẽ cung cấp một hệ thống uyển chuyển và có khả năng nâng cấp Google đã liên hệ với hàng loạt hãng phần cứng cũng như đối tác phần mềm, bắn tin cho các nhà mạng rằng họ sẵn sàng hợp tác với các cấp độ khác nhau

Ngày càng nhiều suy đoán rằng Google sẽ tham gia thị trường điện thoại di động xuất hiện trong tháng 12 năm 2006 Tin tức của BBC và Nhật báo phố Wall chú thích rằng Google muốn đưa công nghệ tìm kiếm và các ứng dụng của họ vào điện thoại di động và họ đang nỗ lực làm việc để thực hiện điều này Các phương tiện truyền thông truyền thống lẫn online cũng viết về tin đồn rằng Google đang phát triển một thiết bị cầm tay mang thương hiệu Google Một vài tờ báo còn nói rằng trong khi Google vẫn đang thực hiện những bản mô tả kỹ thuật chi tiết, họ đã trình diễn sản phẩm mẫu cho các nhà sản xuất điện thoại di động và nhà mạng Tháng 9 năm 2007, Information Week đăng tải một nghiên cứu của Evalueserve cho biết Google đã nộp một số đơn xin cấp bằng sáng chế trong lĩnh vực điện thoại di động

Ngày 05 tháng 11 năm 2007, Liên minh thiết bị cầm tay mở (Open Handset Alliance) được thành lập với mục đích phát triển các tiêu chuẩn mở cho thiết bị di

động Cùng ngày, Android cũng được ra mắt với vai trò là sản phẩm đầu tiên của Liên minh, một nền tảng thiết bị di động được xây dựng trên nhân Linux phiên bản 2.6 Chiếc điện thoại chạy Android đầu tiên được bán ra là HTC Dream, phát hành ngày 22 tháng 10 năm 2008 Biểu trưng của hệ điều hành Android mới là một con robot màu xanh lá cây do hãng thiết kế Irina Blok tại California vẽ

Từ năm 2008, Android đã trải qua nhiều lần cập nhật để dần dần cải tiến hệ điều hành, bổ sung các tính năng mới và sửa các lỗi trong những lần phát hành trước Mỗi bản nâng cấp được đặt tên lần lượt theo thứ tự bảng chữ cái, theo tên của một món ăn tráng miệng, ví dụ như phiên bản 1.5 Cupcake (bánh bông lan nhỏ có kem) tiếp nối bằng phiên bản 1.6 Donut (bánh vòng) Phiên bản mới nhất là 4.2 Jelly Bean (kẹo dẻo) Vào năm 2010, Google ra mắt loạt thiết bị Nexus, một dòng sản phẩm bao gồm điện thoại thông minh và máy tính bảng chạy hệ điều hành Android, do các đối tác phần cứng sản xuất HTC đã hợp tác với Google trong chiếc điện thoại thông minh Nexus đầu tiên (Nexus One) Kể từ đó nhiều thiết bị mới hơn đã gia nhập vào dòng sản phẩm này, như điện thoại Nexus 4 và máy tính bảng Nexus 10, lần lượt do LG và Samsung sản xuất Google xem điện thoại và máy tính bảng Nexus là những thiết bị Android chủ lực của mình, với những tính năng phần cứng và phần mềm mới nhất của Android [6]

2.2.3 Ứng dụng cho hệ điều hành Android

Android có lượng ứng dụng của bên thứ ba ngày càng nhiều, được chọn lọc và đặt trên một cửa hàng ứng dụng như Google Play hay Amazon Appstore để người dùng lấy về, hoặc bằng cách tải xuống rồi cài đặt tập tin APK từ trang web khác Các ứng dụng trên Cửa hàng Play cho phép người dùng duyệt, tải về và cập nhật các ứng dụng do Google và các nhà phát triển thứ ba phát hành Cửa hàng Play được cài đặt sẵn trên các thiết bị thỏa mãn điều kiện tương thích của Google Ứng dụng sẽ tự động lọc ra một danh sách các ứng dụng tương thích với thiết bị của người dùng, và nhà phát triển có thể giới hạn ứng dụng của họ chỉ dành cho những nhà mạng cố định hoặc những quốc gia cố định vì lý do kinh doanh Nếu người dùng mua một ứng dụng

mà họ cảm thấy không thích, họ được hoàn trả tiền sau 15 phút kể từ lúc tải về và một vài nhà mạng còn có khả năng mua giúp các ứng dụng trên Google Play, sau đó tính tiền vào trong hóa đơn sử dụng hàng tháng của người dùng Đến tháng 9 năm 2012,

có hơn 675.000 ứng dụng dành cho Android, và số lượng ứng dụng tải về từ Cửa hàng Play ước tính đạt 25 tỷ [6]

Các ứng dụng cho Android được phát triển bằng ngôn ngữ Java sử dụng Bộ phát triển phần mềm Android (SDK) SDK bao gồm một bộ đầy đủ các công cụ dùng để phát triển, gồm có công cụ gỡ lỗi, thư viện phần mềm, bộ giả lập điện thoại dựa trên QEMU, tài liệu hướng dẫn, mã nguồn mẫu và hướng dẫn từng bước Môi trường phát triển tích hợp (IDE) được hỗ trợ chính thức là Eclipse được sử dụng phần bổ sung Android Development Tools (ADT) Các công cụ phát triển khác cũng có sẵn, gồm có Bộ phát triển gốc dành cho các ứng dụng hoặc phần mở rộng viết bằng C hoặc C++, Google App Inventor, một môi trường đồ họa cho những nhà lập trình mới bắt đầu, và nhiều nền tảng ứng dụng web di động đa nền tảng phong phú [6]

2.2.4 Phiên bản hệ điều hành Android

Hệ điều hành Android phát triển ngày càng lớn mạnh và kể từ khi nó ra đời tới giờ nó đã có các phiên bản sau [5]

Bảng 2.1 Một số phiên bản hệ điều hành Android

Android 2.0 - 2.1 Eclair 26/9/2009 (phát hành lần đầu) Android 2.2 - 2.2.3 Froyo 20/5/2010 (phát hành lần đầu) Android 2.3 - 2.3.7 Gingerbread 6/12/2010 (phát hành lần đầu) Android 3.0 - 3.2.6 Honeycomb 22/2/2011 (phát hành lần đầu)

Android 4.0 - 4.0.4 Ice Cream

Sandwich 18/10/2011 (phát hành lần đầu) Android 4.1 - 4.3.1 Jelly Bean 9/7/2012 (phát hành lần đầu) Android 4.4 - 4.4.4 KitKat 31/10/2013 (phát hành lần đầu) Android 5.0 - 5.1.1 Lollipop 12/11/2014 (phát hành lần đầu)

Android 6.0 - 6.0.1 Marshmallow 5/10/2015 (phát hành lần đầu) Android 7.0 - 7.1.2 Nougat 22/8/2016 (phát hành lần đầu) Android 8.0 - 8.1 Oreo 21/8/2017 (phát hành lần đầu)

2.2.5 Đặc điểm hệ điều hành Android

2.2.6 Kiến trúc cơ bản của hệ điều hành Android

Hệ điều hành Android là một ngăn xếp của các thành phần ứng dụng (stack

of software components), có thể chia thành 5 phần và 4 lớp như trong sơ đồ kiến trúc Android dưới đây [5]

Hình 2.1 Sơ đồ kiến trúc hệ điều hành Android

1 Nhân Linux (Linux kernel)

Nằm ở tầng dưới cùng là lớp Linux kernal - Linux 3.6 với khoảng 115 patches Lớp này liên hệ với phần cứng và nó chứa tất cả driver phần cứng cần thiết như camera, bàn phím, màn hình…

2 Thư viện Android (Android libraries) và Android Runtime

Phía trên tầng Linux kernel là tầng Libraries, chứa những thư viện hỗ trợ Một

số có thể kể đến như là bộ máy trình duyệt web mã nguồn mở WebKit, thư viện libc,

cơ sở dữ liệu SQLite tiện lợi cho việc lưu trữ và chia sẻ dữ liệu, thư viện hỗ trợ thu phát âm thanh và video, thư viện SSL giúp bảo mật mạng…

Tầng này chứa tất cả các thư viện Java, được viết đặc biệt cho Android như các thư viện framework, các thư viện xây dựng giao diện, đồ họa và cơ sở dữ liệu Dưới đây là một số thư viện quan trọng mà các lập trình viên nên biết:

• android.app − Cung cấp quyền truy cập tới mô hình ứng dụng và là nền tảng

của mọi ứng dụng Android applications

• android.content − Cho phép truy cập nội dung, phát hành và tin nhắn giữa

các ứng dụng và các thành phần trong một ứng dung

• android.database − Được dùng để truy cập vào dữ liệu được đưa ra bởi bộ

phận cung cấp nội dung, bao gồm các lớp quản lý cơ sở dữ liệu SQLite

• android.opengl − Cho phép tương tác với thư viện đồ họa OpenGL ES 3D

• android.os − Giúp ứng dụng truy cập những dịch vụ cơ bản của hệ điều hành

bao gồm tin nhắn, dịch vụ hệ thống và liên lạc nội bộ (inter - process communication)

• android.text − Được dùng để vẽ và thao tác văn bản trên màn hình

• android.view − Các khối xây dựng cơ bản của giao diện người dùng

• android.widget − Một tập hợp rất nhiều thành phần giao diện được xây dựng

sẵn như nút bấm (button), nhãn (label), danh sách hiển thị (list views), quản lý

Ngoài ra, Android Runtime cũng chứa tập hợp các thư viện quan trong cho phép người lập trình viết ứng dụng sử dụng ngôn ngữ lập trình Java

3 Application Framework

Application Framework cung cấp nhiều dịch vụ cấp cao dưới dạng các lớp viết bằng Java (Java classes) Lập trình viên được phép sử dụng các lớp này để tạo ra các ứng dụng

❖ Android framework chứa các dịch vụ quan trọng như:

• Activity Manager − Quản lý tất cả các phần của vòng đời (lifecycle) ứng dụng

và các hoạt động ngăn xếp (activity stack)

• Content Providers − Cho phép ứng dụng phát hành và chia sẻ dữ liệu với ứng

dụng khác

• Resource Manager − Cho phép truy cập tới những tài nguyên không phải là

mã nguồn như chuỗi, cài đặt màu, bố cục giao diện

• Notifications Manager − Giúp ứng dụng hiển thị thông báo và nhắc nhở

Ở chế độ mater piconets một thiết bị có thể giao tiếp với bảy thiết bị slave piconets Master piconets có thể gửi bất kì dữ liệu và yêu cầu dữ liệu từ bất kì slave piconets Bảy slave piconets chỉ có thể truyền và nhận từ master piconets và chúng không thể giao tiếp lẫn nhau [12]

c Địa chỉ và tên

Mỗi thiết bị Bluetooth có duy nhất địa chỉ 48 - bit, thông thường viết tắt BD_ADDR Nó thường biểu đạt dưới dạng giá trị 12 - digi hexadecimal: 24 -bit cao của địa chỉ là do nhà sản xuất, 24 - bit thấp cũng là duy nhất của địa chỉ

Bluetooth cũng có tên của nó, chúng đại diện cho người dùng Quy luật đặt tên của Bluetooth không quan trọng có thể lên đến độ dài 248 bytes [12]

2.3.3 Phương thức hoạt động Bluetooth

❖ Tiến trình kết nối

• Inquiry (Truy vấn): Nếu hai thiết bị Bluetooth hoàn toàn không biết lẫn nhau, một thiết bị phải chạy quét để tìm ra thiết bị còn lại Một thiết bị sẽ gửi yêu cầu truy vấn và bất kì thiết bị Bluetooth nào được bật sẽ phản hồi lại địa chỉ, tên và thông tin khác để đáp lại yêu cầu truy vấn

• Paging (Tạo liên kết): là tiến trình tạo một kết nối giữa hai thiết bị Bluetooth Trước khi kết nối được bắt đầu, mỗi thiết bị cần biết địa chỉ của nhau thông qua bước Inqiry

• Connection (Sự kết nối): sau khi thiết bị hoàn thành tiến trình tạo liên kết, bluethooth sẽ vào trạng thái kết nối Trong khi được kết nối, một thiết bị có thể hoạt động tích cực hoặc nó sẽ vào chế độ ngủ nguồn điện thấp

Khi hai thiết bị Bluetooth đã kết nối nhau trước đây địa chỉ, tên và các thông tin khác được lưu trong bộ nhớ Một mật mã bí mật chung được chia sẽ giữa chúng

sử dụng mật mã bí mật này để kết nối trong tương lai Cả hai thiết bị có thể tự động kết nối nếu nằm trong phạm vi hoạt động Để chúng không thể tự động kết nối lẫn nhau cần phải xóa đi các thông tin của thiết bị kết nối trước đây [12]

2.4 GIỚI THIỆU ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC (PWM)

2.4.1 Giới thiệu

Pulse Width Modulation (PWM) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến thay đổi điện áp trung bình hoặc dòng trung bình Các PWM khi biến đổi có cùng tần số và khác nhau về hệ số công tác – duty cycle [13]

2.4.2 Nguyên lý

Nguyên lý điều chế độ rộng xung là mạch tạo ra xung vuông có chu kỳ là hằng

số nhưng hệ số công tác (còn gọi là hệ số chu kỳ - duty cycle) có thể thay đổi được

Sự thay đổi hệ số chu kỳ làm thay đổi điện áp trung bình hoặc dòng điện trung bình

Sự thay đổi điện áp và dòng điện trung bình dùng để điều khiển các tải như động

cơ DC thì làm thay đổi tốc độ động cơ, điều khiển bóng đèn thì làm thay đổi cường

độ sáng của bóng đèn…

U

tT

nguồn), cắt nguồn cung cấp cho tải Vì vậy với 𝑡0 thay đổi từ 0 cho đến T, cung cấp

toàn bộ, một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải [13]

❖ Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải:

𝑈𝑑 = 𝑈𝑚𝑎𝑥×𝑡0

𝑇 ℎ𝑎𝑦 𝑈𝑑 = 𝑈𝑚𝑎𝑥 𝐷 (2.3)

• 𝑈𝑑: điện áp trung bình

• 𝑈𝑚𝑎𝑥: điện áp nguồn cung cấp cho tải

• 𝑡0: thời gian xung mức cao

• T: thời gian xung ở mức cao và thấp

• D: hệ số công tác – duty cycle

2.4.3 Cách tạo ra PWM để điều khiển

Để tạo ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng: Phần cứng hoặc phần mềm Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực tiếp từ các

IC dao động tạo xung vuông như: 555, LM556…

Trong phần mềm được tạo bằng các chip có thể lập trình được Tạo bằng phần mềm thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng Thường sử dụng phần mềm để tạo PWM Xung này dựa trên xung của CPU [13]

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

3.1 GIỚI THIỆU

Mục tiêu thiết kế Robot kết nối với điện thoại thông minh có thể di chuyển tự

do trong khoảng không gian và phát ra âm thanh Mô hình là vừa đồ chơi vừa khơi gợi trong trẻ sự thích thú học tập

Điện thoại

Board điều khiển

• Mô hình xe: Đủ rộng chứa linh kiện và điện thoại

• Board điều khiển: Điều khiển động cơ và nhận tín hiệu từ điện thoại

• Động cơ DC: Di chuyển và nhận tín hiệu từ board điều khiển

• Điện thoại: Phát ra âm thanh và có ứng dụng học tập

• Nguồn: Cung cấp năng lượng cho động cơ và board điều khiển

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống

Khối cảm biến

Khối điều khiển

Khối giao

Khối động cơ

Khối

nguồn

Hình 3.2 Sơ đồ khối của hệ thống

❖ Chức năng của từng khối trong hệ thống:

• Khối cảm biến: Đọc dữ liệu từ cảm biến, lưu dữ liệu lại để xử lý

• Khối điều khiển: Đọc dữ liệu từ khối cảm biến và truyền tín hiệu điều

khiển đến khối cảm biến và khối động cơ

• Khối động cơ: Điều khiển các thiết bị công suất dựa theo dữ liệu đã nhận

được từ khối điều khiển

• Khối giao tiếp: Nhận dữ liệu gửi từ điện thoại rồi gửi sang khối điều khiển

• Điện thoại: Chạy ứng dụng trong khi Robot di chuyển, đồng thời phát âm

thanh và truyền tín hiệu sang khối giao tiếp

• Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho các khối ngoại trừ điện thoại

❖ Hoạt động của hệ thống

Khi cấp nguồn và nhận được tín hiệu điều khiển Robot sẽ tự động di chuyển

tự do, ứng dụng trên điện thoại phát nhạc và giọng nói Thông qua dữ liệu thu được từ khối cảm biến, hệ thống sẽ xử lý thông tin, sau đó điều khiển các động

cơ, giúp Robot tránh được những vật cản Khi nhận được tín hiệu từ ứng dụng, hệ thống sẽ xử lý và dừng hoạt động của Robot (ngừng di chuyển), sau đó sẽ chuyển

qua chế độ học tập trên ứng dụng của điện thoại Khi nhận được tín hiệu từ điện thoại, Robot tiếp tục chế độ di chuyển tự do, phát nhạc và giọng nói

3.2.2 Tính toán và thiết kế

a Thiết kế mô hình

Mô hình có diện tích sao cho các linh kiện có thể đặt bên trong và tránh được việc trẻ em có thể chạm tới Mô hình nhỏ, gọn, thân thiện và an toàn với trẻ em Trên thị trường có rất nhiều đồ chơi làm bằng chất liệu nhựa, có giá thành rẻ nhưng sản xuất quy mô lớn Vì thế để lựa chọn một vật liệu để làm mô hình tương đối phù hợp với đồ án thì mica là một chất liệu dễ dàng tìm được và có đặc điểm nhẹ, không khó

để cắt ghép Tiến hành ước lượng kích thước của các module chính trong mô hình để đưa ra kích thước mô hình phù hợp

Board điều khiển Nguồn

Cảm biến

• Bề mặt tương đối phẳng và có độ bóng rất cao

• Ít chịu các tác động bởi thời gian hay thời tiết, có khả năng chống vỡ cao

• Hạn chế tác động của các hóa chất xăng dầu, và chúng rất dễ cắt và có thể tạo hình rất đa dạng, không tạo khí độc và rất ít các khói bụi

• Có thể chịu được nhiệt độ lên tới 80°C

b Thiết kế khối động cơ

Lựa chọn động cơ DC giảm tốc V1 và bánh xe có thể di chuyển chạy thẳng, chạy lùi và đủ lực để kéo khối lượng mô hình Tính tổng khối lượng các linh kiện để

dễ dàng thiết kế và chế tạo mô hình phù hợp

Bảng 3.1 Tổng khối lượng các linh kiện

cơ phải thêm gá bắt động cơ vào thân Robot

Motor Driver Shield L293D tương thích tốt với board Arduino Uno R3, Arduino Leonado, Arduino Mega 2560 Motor Driver Shield L293D sử dụng 2 IC cầu H (L293D) và 1 IC logic 74HC595 điều khiển Do đó, Motor Driver Shield L293D có thể điều khiển nhiều loại motor khác nhau với mức áp lên đến 36V, dòng tối đa 600mA mỗi kênh điều khiển

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý Motor Driver Shield L293D

❖ Các thành phần Motor Driver Shield L293D có thể điều khiển:

• 2 Servo

• 4 motor DC (M1, M2, M3, M4) theo các hướng khác nhau (mỗi motor có thể chạy với 1 hướng tới/ lùi bất kì) thông qua 4 cầu H của L293D dòng 600mA (cực đại 1.2A)

• 2 stepper motor loại đơn cực (unipolar) hoặc lưỡng cực (bipolar)

• 2 dây điều khiển 2 servo kết nối với chân số 9 và 10 Nguồn nuôi lấy trực tiếp

từ board Arduino (nguồn 5V)

• Motor 1 nối với chân 11

• Motor 2 nối với chân 3

• Motor 3 nối với chân 5

• Motor 4 nối với chân 6

• Chân 4,7,8,12 dùng điều khiển motor thông qua IC 74HC595

• Chân A0, A1: Trig và Echo của SRF-04

• Các chân chưa sử dụng: 2, 13, A0, A1, A2, A3, A4, A5

Hình 3.6 Sơ đồ kết nối Motor Driver Shield L293D và Arduino Uno R3

c Thiết kế khối điều khiển Robot

❖ Yêu cầu

• Nhận tín hiệu từ điện thoại thông qua Bluetooth

• Đọc giá trị cảm biến thực hiện phép toán đơn giản tính ra khoảng cách

• Gửi tín hiệu đến khối động cơ điều khiển động cơ

Từ những yêu cầu trên, có nhiều dòng vi điều khiển có thể đáp ứng như vi điều khiển PIC, ARM, AVR, Arduino Đối với các dòng vi điều khiển PIC, ARM, AVR

độ khó, phức tạp rất cao và ứng dụng cho các board mạch lớn Do đó nhóm chọn sử dụng Aruido, là một board mạch vi xử lý có đầy đủ các yếu tố trên, sử dụng được các

mã nguồn mở thuận tiện cho việc lập trình và phù hợp với khả năng của sinh viên

Hình 3.7 Board mạch Arduino Uno R3

Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, nổi bật trên hết chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3) Arduino UNO R3 là lựa chọn phù hợp, dễ sử dụng và có nhiều đặc điểm nổi bật:

• Mạch Arduino UNO R3 với thiết kế tiêu chuẩn sử dụng vi điều khiển ATmega328

• Mạch Arduino UNO R3 có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân

là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong

vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)

• Arduino UNO Broad có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên board, có thể đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các

chân analog và dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit

• Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

Bảng 3.2 Thông số mạch Arduino Uno R3

Điện áp đầu vào (khuyên dùng) 7-12V

Chân Digital I/O 14 (Với 6 chân PWM output)

Chiều dài, chiều rộng, trọng lượng 68.6 mm, 53.4 mm, 25g

d Thiết kế khối cảm biến

❖ Yêu cầu

• Cảm biến phát hiện vật cản xung quanh

• Đọc được khoảng cách từ cảm biến so với vật cản

• Nhận biết được các loại vật cản như bê tông, vải, nhựa, sắt, nhôm, thủy tinh, gỗ…

• Hình dạng nhỏ gọn, phù hợp với thiết kế mô hình

Trong thị trường có nhiều loại module phát hiện vật cản như cảm biến hồng ngoại, camera Nhưng còn một số cảm biến không phát hiện được vật trong suốt, kích

thước không phù hợp với thiết kế và độ xử lý phức tạp SRF-04 là cảm biển đáp ứng

được các yêu cầu trên, sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách và dễ sử dụng

❖ SRF -04

Cảm biến siêu âm có thể phát hiện ra hầu hết các đối tượng là kim loại hoặc không phải kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục (những vật có

hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn)

Hình 3.8 Sơ đồ kết nối SRF – 04 và Arduino Uno R3

❖ Đặc điểm:

• Sử dụng sóng siêu âm có tần số tại 40 000hz

• Có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 3 – 300cm

• Cảm biến có 4 chân: Vcc, Trig, Echo, GND