TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang diễn ra mạnh mẽ, kéo theo sự phát triển của công nghệ điều khiển thông minh và tự động hóa Những công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến đời sống và y học Khi nhu cầu sống của con người ngày càng được nâng cao, sự quan tâm đến các công nghệ này cũng tăng lên đáng kể.
Nhận dạng tiếng nói đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trong những thập niên qua, dẫn đến sự phát triển của phần mềm nhận dạng tiếng Anh và gần đây là tiếng Việt Tiếng nói, cùng với chữ viết, là hai thành phần cơ bản của ngôn ngữ, với tiếng nói hình thành trước chữ viết và giữ vai trò quan trọng trong giao tiếp Mặc dù công nghệ đã thay thế nhiều công việc của con người, giao tiếp giữa người và máy vẫn thường phức tạp và cần đào tạo Do đó, nghiên cứu phát triển thiết bị giao tiếp bằng giọng nói đang nhận được sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học và người tiêu dùng, tuy nhiên, mức độ phổ biến hiện tại vẫn còn hạn chế.
Sinh trắc học là công nghệ nhận diện dựa trên các đặc điểm sinh học của con người, với nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế Trong đó, nhận diện giọng nói được chú trọng nhờ tính tự nhiên và dễ dàng thu thập, mang lại hiệu quả cao trong việc xác định danh tính người nói Nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng thành công trong lĩnh vực này.
Nhận dạng tiếng nói của con người ngày càng thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu, đặc biệt khi công nghệ tự động hóa đang được áp dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày.
Tác giả Hoàng Ngọc Giàu đã nghiên cứu và phát triển sản phẩm "Xe lăn điện điều khiển bằng tay kết hợp bằng giọng nói" từ năm 2012, dựa trên hai nguyên tắc điều khiển chính là Joystick và hệ thống nhận dạng giọng nói Sản phẩm này được thiết kế nhằm hỗ trợ người khuyết tật, mang lại sự di chuyển thuận tiện và dễ dàng hơn cho họ.
Thông qua ứng dụng Android trên smartphone, người dùng có khả năng điều khiển và gửi tín hiệu đến vi điều khiển, từ đó quản lý các thiết bị trong nhà Nghiên cứu của tác giả Trần Minh Luân và Lâm Thành Đạt về "Thiết kế và thi công hệ thống thiết bị điều khiển nhà thông minh" đã chứng minh điều này.
Trong suốt 4 năm học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật, tôi đã tích lũy được nhiều kiến thức về điều khiển tự động, vi xử lý và lập trình C Tôi mong muốn ứng dụng những kiến thức này vào một đề tài có ý nghĩa, vì vậy tôi đã chọn đề tài "Điều khiển xe lăn điện bằng giọng nói hoặc smartphone" cho luận văn tốt nghiệp Đề tài này không chỉ có ý nghĩa nhân văn sâu sắc mà còn mang lại lợi ích cho những người tàn tật không thể điều khiển xe lăn bằng tay hoặc chân Xe lăn điều khiển thông minh là giải pháp tuyệt vời cho người già và người khuyết tật, giúp họ tự do di chuyển chỉ với những câu lệnh đơn giản mà không cần phụ thuộc vào người khác.
MỤC TIÊU
Mục tiêu của đề tài này là ứng dụng mạch nhận dạng giọng nói kết hợp với điều khiển qua smartphone để điều khiển xe lăn Người dùng có thể điều khiển xe lăn tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải và điều chỉnh tốc độ theo nhu cầu của mình.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nội dung nghiên cứu của nhóm được chia ra các nội dung chính sau:
• NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về xe lăn điện: lịch sử phát triển, ứng dụng.
• NỘI DUNG 2: Nghiên cứu về lý thuyết và cách sử dụng các loại mudule cần thiết.
• NỘI DUNG 3: Đề ra các giải pháp thiết kê mô hình, lựa chọn các thiết bị linh kiện trong việc thiết kế mô hình.
• NỘI DUNG 4: Tìm hiểu, sử dụng và cài đặt các phần mềm lập trình cũng như phần mềm dùng để thiết kế giao diện điều khiển.
• NỘI DUNG 5: Viết chương trình điều khiển và kiểm tra kết quả.
GIỚI HẠN
• Xe lăn chạy trên địa hình bằng phẳng dễ chạy.
• Điều khiển thông qua mạng mạng wifi nên chỉ có thể điều khiển ở một phạm vi nhất định nếu vượt quá thì sẽ không hoạt động được.
• Nguồn hoạt động chính của mạch là pin nên do đó có hạn chế về thời gian sử dụng
• Tính bảo mật của ứng dụng điều khiển không cao.
BỐ CỤC
Nội dụng đề tài phần bố các chương sau:
Chương này khám phá những lợi ích của việc ứng dụng công nghệ trong cuộc sống, đặc biệt trong lĩnh vực y học Qua đó, chúng tôi làm rõ mục tiêu lựa chọn, nội dung nghiên cứu, giới hạn đề tài và cấu trúc của đề tài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TỔNG QUAN VỀ XE LĂN
Xe lăn là một chiếc ghế có bánh xe, hỗ trợ những người gặp khó khăn trong việc di chuyển do bệnh tật, chấn thương hoặc khuyết tật Có nhiều loại xe lăn khác nhau để đáp ứng nhu cầu của người dùng, bao gồm xe lăn thể thao và xe lăn bãi biển, với các tính năng như chỗ ngồi thích nghi và điều khiển cá nhân Xe lăn được chia thành hai loại chính: xe lăn điện, sử dụng pin và động cơ để di chuyển, và xe lăn đẩy tay, trong đó người sử dụng hoặc người phục vụ sẽ đẩy xe lăn.
Ghi chép sớm nhất về đồ nội thất có bánh xe xuất hiện trên một phiến đá ở Trung Quốc và trong một bức tranh Hy Lạp từ thế kỷ 6-5 trước Công nguyên Ghế có bánh xe đầu tiên được sử dụng để vận chuyển người khuyết tật xuất hiện ba thế kỷ sau tại Trung Quốc, nơi người dân đã sử dụng xe cút kít để di chuyển cả người và vật nặng Sự phân biệt giữa hai chức năng này chỉ được thực hiện khoảng năm 525 sau Công nguyên, khi hình ảnh ghế có bánh xe dành riêng cho việc chở người bắt đầu xuất hiện trong nghệ thuật Trung Quốc.
Hình 2.1 Miêu tả chiếc xe lăn thời xưa ở Trung Quốc
Mặc dù người châu Âu đã phát triển thiết kế tương tự, phương pháp vận chuyển này chỉ xuất hiện vào năm 1595 khi một nhà phát minh vô danh từ Tây Ban Nha chế tạo chiếc xe lăn đầu tiên cho vua Phillip II Chiếc xe lăn này có tay vịn và gác chân, nhưng vẫn thiếu cơ chế đẩy hiệu quả, khiến nó cần người hỗ trợ để di chuyển Do đó, thiết kế này giống như một chiếc ghế phành hiện đại dành cho người giàu hơn là một chiếc xe lăn hiện đại cho người khuyết tật.
Năm 1655, Stephan Farffler, một thợ sửa đồng hồ bị liệt nửa người 22 tuổi, đã sáng chế ra chiếc ghế tự hành đầu tiên trên thế giới Chiếc ghế này được thiết kế trên khung gầm ba bánh và sử dụng hệ thống trục cùng bánh răng, mang hình dáng giống một chiếc xe đạp tay hơn là một chiếc xe lăn, với các tay quay gắn ở bánh trước.
Hình 2.2 Stephan Farffler trên chiếc ghế tự hành đầu tiên trên thế giới
Việc vận chuyển hoặc ghế Bath không hợp lệ đã đưa công nghệ này vào sử dụng phổ biến hơn từ khoảng năm 1760.
Vào năm 1887, xe lăn được giới thiệu tại Thành phố Atlantic, cho phép du khách không có khả năng di chuyển thuê để tận hưởng Boardwalk Ngay sau đó, nhiều du khách khỏe mạnh cũng bắt đầu thuê những chiếc xe lăn trang trí cùng với người hầu để đẩy họ, như một cách thể hiện sự suy đồi và trải nghiệm những điều mà họ không bao giờ có thể có ở nhà.
Năm 1933, Harry C Jennings, Sr và Herbert Everest, hai kỹ sư cơ khí, đã phát minh ra chiếc xe lăn nhẹ, thép, gấp, di động đầu tiên sau khi Everest bị gãy lưng trong một tai nạn khai thác Họ nhận thấy tiềm năng kinh doanh của phát minh và trở thành nhà sản xuất xe lăn đại trà đầu tiên Thiết kế "X-brace" của họ, lấy cảm hứng từ những chiếc ghế gấp trại, vẫn được sử dụng phổ biến ngày nay, mặc dù đã có nhiều cải tiến và vật liệu mới.
2.1.2 Sự đa dạng của xe lăn
Có nhiều loại xe lăn với các phương pháp đẩy, cơ chế điều khiển và công nghệ khác nhau Một số xe lăn được thiết kế cho việc sử dụng hàng ngày, trong khi những loại khác phục vụ cho các hoạt động cụ thể hoặc đáp ứng nhu cầu truy cập đặc thù.
Ngành công nghiệp xe lăn đang chứng kiến nhiều sự đổi mới, tuy nhiên, nhiều sản phẩm lại không được phổ biến do quá chuyên môn hóa hoặc giá cả không phù hợp với người tiêu dùng Một trong những xu hướng nổi bật là xe lăn tự hành bằng tay, mang lại sự tiện lợi và linh hoạt cho người sử dụng.
Hình 2.3 Ghế gấp và ghế cứng
Xe lăn tay tự hành bao gồm khung, ghế ngồi, chân để chân và bốn bánh xe, với hai bánh trước nhỏ và hai bánh sau lớn hơn Các bánh sau thường có vành đẩy giúp người dùng dễ dàng điều khiển xe mà không cần nắm lốp Xe lăn này thường được trang bị phanh đỗ trên bánh sau, trong khi phanh chuyển động phụ thuộc vào lực tay của người dùng trên vành đẩy Để giảm ma sát và nhiệt khi xuống dốc, nhiều người sử dụng xe lăn chọn đeo găng tay xe lăn có đệm.
Xe lăn thủ công hàng ngày có hai loại chính: xe gấp và xe cứng Xe gấp thường có thiết kế đơn giản, dễ dàng gập lại, phù hợp cho người dùng bán thời gian cần lưu trữ thường xuyên Trong khi đó, xe lăn cứng ngày càng được ưa chuộng bởi người dùng toàn thời gian nhờ vào cấu trúc hàn vĩnh viễn và ít bộ phận chuyển động, giúp giảm năng lượng cần thiết để đẩy xe Điều này không chỉ làm giảm trọng lượng tổng thể mà còn cải thiện hiệu suất di chuyển Xe cứng thường đi kèm với bánh sau và tựa lưng có thể gập xuống phẳng, cho phép tháo dỡ nhanh chóng để cất giữ dễ dàng trong xe.
Nhiều mô hình xe lăn cứng nhắc hiện nay được sản xuất từ vật liệu siêu nhẹ như nhôm và titan, cùng với các composite như sợi carbon Những chiếc xe lăn này, thường được gọi là 'ghế người dùng tích cực', rất phù hợp cho việc sử dụng độc lập Thiết kế ghế cứng đã được cải tiến với việc lắp đặt các bộ giảm xóc như Chân ếch, giúp giảm thiểu va đập Các bộ giảm xóc này có thể được trang bị cho bánh trước, bánh sau hoặc cả hai Ngoài ra, ghế cứng còn có tùy chọn bánh sau với góc camber, giúp người dùng đẩy xe hiệu quả hơn và giữ thăng bằng khi di chuyển trên dốc Xe lăn thể thao thường có góc camber lớn để nâng cao sự ổn định.
Ghế có khung cứng được thiết kế để phù hợp với kích thước và nhu cầu của người dùng, đáp ứng sở thích cá nhân trong các không gian khác nhau.
"Độ giật" của ghế xe lăn phản ánh độ ổn định quanh trục sau, cho phép người dùng có kinh nghiệm cân bằng ghế trên bánh sau Sự kết hợp giữa "bánh xe" và "độ nhanh" của ghế quyết định khả năng điều khiển và khởi động dễ dàng Bánh xe giúp người sử dụng xe lăn độc lập vượt qua các chướng ngại vật nhỏ, leo lên và xuống lề đường, đồng thời di chuyển thuận lợi trên các bề mặt không đồng đều như đá cuội.
Bánh sau của xe lăn tự hành thường có đường kính từ 20 đến 24 inch (51 đến 61 cm) và có thiết kế tương tự như bánh xe đạp Chất liệu bánh xe thường là cao su, có thể là rắn, khí nén hoặc gel Đối với ghế gấp, bánh xe có thể được gắn vĩnh viễn, trong khi bánh xe của ghế cứng thường được trang bị trục giải phóng nhanh, cho phép tháo lắp dễ dàng bằng cách ấn nút ở giữa bánh xe.
Tất cả các loại xe lăn chính đều có thể tùy chỉnh cao để phù hợp với nhu cầu của người dùng, bao gồm chỗ ngồi, chiều cao, góc ghế, footplates, chân dựa, bánh xe chân chống, và điều chỉnh backrests Ngoài ra, còn có nhiều phụ kiện tùy chọn như thanh chống lật, dây an toàn, tựa lưng có thể điều chỉnh, tính năng nghiêng và ngả, hỗ trợ cho tay chân hoặc đầu và cổ, giá đỡ nạng, xe tập đi, bình oxy, giá đựng đồ uống, cùng với bảo vệ quần áo và bánh xe.
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PWM
Pulse Width Modulation (PWM) là kỹ thuật điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách thay đổi độ rộng của xung vuông, từ đó ảnh hưởng đến điện áp trung bình hoặc dòng điện trung bình Các tín hiệu PWM có cùng tần số nhưng khác nhau về hệ số công tác (duty cycle).
2.2.2 Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM
Nguyên lý điều chế độ rộng xung liên quan đến việc tạo ra xung vuông với chu kỳ cố định, trong khi hệ số công tác (hay hệ số chu kỳ) có thể thay đổi Sự thay đổi này ảnh hưởng đến điện áp trung bình và dòng điện trung bình của mạch.
Sự thay đổi điện áp và dòng điện trung bình có vai trò quan trọng trong việc điều khiển các tải, chẳng hạn như điều chỉnh tốc độ của động cơ DC và thay đổi cường độ sáng của bóng đèn.
Hình 2.10 Một số dạng sóng điều chế độ rộng xung
Hệ số chu kỳ được tính theo công thức:
Hệ số chu kỳ = ((Độ rộng xung)/(Chu kỳ xung))*100 (2.1 )
Để thay đổi thời gian xung mức 1 trong chu kỳ không đổi, cần điều chỉnh hệ số chu kỳ Khi hệ số chu kỳ thay đổi, điện áp trung bình và dòng trung bình cũng sẽ thay đổi Hệ số chu kỳ cao hơn dẫn đến điện áp và dòng trung bình lớn hơn, từ đó ảnh hưởng đến tốc độ của động cơ khi điều khiển.
Hình 2.11 Một số dạng sóng điều chế độ rộng xung và điện áp trung bình tương ứng Điện áp trung bình được tính theo công thức:
U tb = ((Độ rộng xung) / (Chu kỳ xung)) * U max ( 2.2 )
Ví dụ với hình 2.11 ta tính được điện áp trung bình trong ba trường hợp có hệ số công tác là 10%, 50%, 80% và U max = 24V lần lượt là 2.4V, 12V, 19.2V.
2.2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Để tạo ra xung PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng:
• Tạo trực tiếp từ các IC dao động như: NE555, LM556
• Sử dụng phần mềm để lập trình tạo xung PWM trên các vi điều khiển. Tạo xung PWM bằng phương pháp này cho độ chính xác rất cao.
Tùy thuộc vào từng yêu cầu thực tế mà ta có thể chọn phương pháp tạo xung PWM sao cho phù hợp với yêu cầu đó.
2.2.4 Ứng dụng của điều chế độ rộng xung PWM trong điều khiển
PWM được sử dụng rộng rãi trong điều khiển, đặc biệt là trong việc điều khiển động cơ và các bộ xung áp Công nghệ này cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ một cách linh hoạt và hiệu quả, đồng thời cũng giúp duy trì sự ổn định của tốc độ động cơ trong các ứng dụng khác nhau.
Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như: boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha…
PWM được sử dụng phổ biến trong các mạch điện điều khiển, đặc biệt là để điều khiển các phần tử điện tử công suất với đường đặc tính tuyến tính khi có nguồn một chiều cố định Nhờ vào tính năng này, PWM có nhiều ứng dụng trong các thiết bị điện và điện tử.
CHUẨN GIAO TIẾP UART
UART, hay còn gọi là Bộ chuyển đổi nhận – truyền dữ liệu bất đồng bộ, là công nghệ cho phép truyền dữ liệu nối tiếp Nó thực hiện việc chuyển đổi giữa dữ liệu song song và dữ liệu nối tiếp Cụ thể, UART chuyển đổi dữ liệu song song từ bus hệ thống thành dữ liệu nối tiếp để truyền đi, và ngược lại, chuyển đổi dữ liệu nối tiếp nhận được thành dữ liệu song song để CPU có thể đọc Để quá trình truyền dữ liệu diễn ra, cả bên phát và bên nhận cần phải tự tạo xung clock với tần số giống nhau, thường được gọi là tốc độ baud, ví dụ như 2400, 4800 hoặc 9600 baud.
UART của máy tính hỗ trợ hai kiểu giao tiếp: giao tiếp đồng thời và không đồng thời Giao tiếp đồng thời cho phép UART gửi và nhận dữ liệu cùng một lúc, trong khi giao tiếp không đồng thời chỉ cho phép một thiết bị truyền dữ liệu tại một thời điểm, với tín hiệu điều khiển xác định bên nào được phép truyền Loại giao tiếp không đồng thời thường xảy ra khi hai thiết bị chia sẻ một đường dẫn hoặc khi có hai đường nhưng chỉ một đường được sử dụng cho giao tiếp tại một thời điểm.
Thêm vào đường dữ liệu, UART hỗ trợ bắt tay chuẩn RS232 và tín hiêu điều khiển như RTS, CTS, DTR, DCR, RT và CD.
Để thiết lập giao tiếp giữa hai vi điều khiển qua chuẩn UART, cần kết nối chân Tx (gửi tín hiệu) của thiết bị phát với chân Rx (nhận tín hiệu) của thiết bị thu, và ngược lại, kết nối chân Rx của thiết bị phát với chân Tx của thiết bị thu Phương pháp này được gọi là nối chéo dây Ngoài ra, cả hai thiết bị cũng cần phải được nối chung GND và đảm bảo rằng tốc độ baud của chúng phải giống nhau để có thể truyền nhận dữ liệu thành công.
2.3.2 Các đặc điểm quan trọng trong chuẩn truyền thông UART
Dưới đây là khung truyền dữ liệu:
Hình 2.13 Các thành phần của một khung dữ liệu
Baudrate là số bit được truyền trong một giây, và trong giao tiếp không đồng bộ, cả hai bên truyền và nhận cần phải thống nhất về Baudrate Các giá trị Baudrate phổ biến thường được sử dụng để giao tiếp với máy tính bao gồm 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400 và 19200.
Khung truyền của hai thiết bị truyền nhận không chỉ giống nhau về tốc độ baud mà còn được cấu hình đồng nhất Nó quy định số bit trong mỗi lần truyền, bao gồm bit bắt đầu (Start bit), các bit kết thúc (Stop bit) và bit kiểm tra tính chẵn lẻ (Parity) Số bit trong một gói dữ liệu cũng được xác định bởi khung truyền, cho thấy vai trò quan trọng của nó trong việc đảm bảo truyền dữ liệu thành công.
Idle frame: Đường truyền UART ở mức “1”, để xác nhận hiện tại đường truyền dữ liệu trống, không có frame nào đang được truyền đi.
Break frame: Đường truyền UART ở mức “0”, để xác nhận hiện tại trên đường truyền đang truyền dữ liệu, có frame đang được truyền đi
Bit đầu tiên trong một frame, gọi là bit start, có nhiệm vụ thông báo cho bên nhận về việc sắp có một gói dữ liệu được truyền Trong giao thức UART, đường truyền luôn ở mức cao “1” cho đến khi chip quyết định gửi dữ liệu, lúc này nó sẽ kéo bit start xuống mức “0” Do đó, bit start có giá trị điện áp 0V và là thành phần bắt buộc trong khung truyền.
Dữ liệu, hay còn gọi là thông tin, được thu thập trong quá trình truyền và nhận Trong giao thức truyền UART, bit có trọng số thấp nhất (LSB - least significant bit) được truyền trước, theo sau là bit có trọng số cao nhất (MSB - most significant bit).
Bit Parity là một phương pháp kiểm tra tính chính xác của dữ liệu truyền Có hai loại Parity: Parity chẵn (even parity) yêu cầu tổng số bit 1 trong dữ liệu cộng với bit Parity phải là số chẵn, trong khi Parity lẻ (odd parity) yêu cầu tổng số này phải là số lẻ Bit Parity không bắt buộc, cho phép người dùng có thể loại bỏ nó khỏi khung truyền khi cần thiết.
Stop bits là một thành phần quan trọng trong giao tiếp dữ liệu, giúp bộ truyền/nhận xác nhận rằng gói dữ liệu đã được gửi hoàn tất Chúng là bit bắt buộc trong khung truyền, có thể có độ dài 0.5 bit, 1 bit, 1.5 bit hoặc 2 bit, tùy thuộc vào ứng dụng UART của người sử dụng.
UART là giao thức thường được sử dụng trong máy tính công nghiệp, truyền thông và vi điều khiển, cho phép truyền tín hiệu giữa các thiết bị như laptop và modem hoặc giữa các vi điều khiển với nhau Mục tiêu chính của UART là đảm bảo việc truyền tải tín hiệu hiệu quả và chính xác.
UART là giao thức thường được áp dụng trong các bộ vi điều khiển nhằm đáp ứng các yêu cầu chính xác, đồng thời cũng xuất hiện trong nhiều thiết bị liên lạc như giao tiếp không dây, thiết bị GPS và module Bluetooth Ngoài RS232, các tiêu chuẩn truyền thông khác như RS422 và TIA cũng được sử dụng trong UART.
2.3.4 Ưu và nhược điềm a Ưu điểm
• Đơn giản hiệu quả tương đối cao.
• Nó chỉ cần hai dây để truyền dữ liệu.
• Tín hiệu đồng bộ là không cần thiết.
• Có thể kiểm tra dữ liệu ở bên nhận được có bị lỗi hay không. b Nhược điểm
• Do tồn tại các bit start, bit stop, và khoảng trống dẫn đến thời gian truyền nhận chậm.
• Kích thước khung dữ liệu tối đa là 9 bit.
2.4 CHUẨN GIAO TIẾP WI-FI
Wifi, viết tắt của Wireless Fidelity, là mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến tương tự như sóng truyền hình, điện thoại và radio Wifi phát sóng trong một phạm vi nhất định, cho phép các thiết bị điện tử như laptop, smartphone và máy tính bảng kết nối và truy cập internet Để thiết lập kết nối Wifi, cần có bộ thu phát; thông tin từ mạng Internet được chuyển đổi từ kết nối hữu tuyến sang tín hiệu vô tuyến, sau đó được phát đi Các thiết bị di động sử dụng bộ chuyển tín hiệu không dây để thu nhận và giải mã tín hiệu thành dữ liệu cần thiết.
Để thiết lập kết nối Wifi, cần có Router, thiết bị thu phát thông tin từ mạng Internet qua kết nối hữu tuyến Router chuyển đổi thông tin này thành tín hiệu vô tuyến và phát đi, trong khi bộ chuyển tín hiệu không dây (adapter) trên các thiết bị di động nhận và giải mã tín hiệu thành dữ liệu cần thiết Quá trình này cũng có thể diễn ra ngược lại, khi Router nhận tín hiệu vô tuyến từ adapter, giải mã và gửi qua Internet.
2.4.3 Một số chuẩn kết nối
Tuy nói wifi tương tự như sóng vô tuyến truyền hình, radio hay điện thoại nhưng nó vẫn khác các loại sóng kia ở mức độ tần số hoạt động.
Sóng wifi hoạt động ở tần số từ 2,5GHz đến 5GHz, cho phép truyền tải nhiều dữ liệu hơn Tuy nhiên, phạm vi truyền của sóng wifi ở tần số cao này bị hạn chế, trong khi các loại sóng khác với tần số thấp có khả năng truyền xa hơn.
Kết nối wifi sử dụng chuẩn kết nối 802.11 trong thư viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), chuẩn này bao gồm 4 chuẩn nhỏ a/b/g/n:
Hình 2.15 Các chuẩn kết nối Wifi
Chuẩn wifi đầu tiên 802.11 được giới thiệu bởi IEEE vào năm 1997 cho mạng WLAN, nhưng chỉ hỗ trợ băng thông tối đa 2Mbps, quá chậm cho hầu hết các ứng dụng Do đó, các sản phẩm không dây dựa trên chuẩn 802.11 ban đầu đã không còn được sản xuất.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
GIỚI THIỆU
Trong bài viết này, nhóm chúng tôi sử dụng một module Wifi Esp8266 Nodemcu, một mạch giảm áp LM2596, và một mạch nhận dạng giọng nói Voice Recognition V3, được điều khiển thông qua mạch hai cầu H-BTS7960.
THI CÔNG HỆ THỐNG
LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
a Lưu đồ giải thuật toàn hệ thống
Khi hệ thống được cấp điện, chương trình khởi động và nhận tín hiệu đầu vào từ ứng dụng, bao gồm các lệnh từ việc nhấn phím điều hướng và điều chỉnh tốc độ, cùng với lệnh thoại từ người dùng Đầu tiên, hệ thống kiểm tra sự hiện diện của giọng nói; nếu có, nó sẽ tiếp tục xác định xem có tín hiệu từ ứng dụng hay không Nếu có tín hiệu từ ứng dụng, lệnh của ứng dụng sẽ được ưu tiên thực hiện; ngược lại, lệnh thoại sẽ được xử lý sau.
Nếu khối kiểm tra đầu tiên không nhận được lệnh từ giọng nói, hệ thống sẽ kiểm tra xem ứng dụng có tín hiệu điều khiển hay không Nếu có, nó sẽ thực hiện lệnh từ ứng dụng; nếu không có lệnh từ cả giọng nói và ứng dụng, hệ thống sẽ quay lại để thực hiện phần nói hoặc nhấn lại và tiếp tục kiểm tra.
Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật toàn điều khiển bằng app
Giải thích lưu đồ điều khiển bằng app:
Khi hệ thống được cấp nguồn, người dùng có thể bắt đầu nhập tín hiệu đầu vào bằng cách nhấn vào nút bất kỳ trên ứng dụng trên màn hình điện thoại.
Khối kiểm tra phím điều hướng xe lăn cho phép người dùng điều khiển xe bằng cách nhấn một trong các nút tới, lui, trái, phải Khi nhấn một phím, lệnh sẽ kích hoạt tín hiệu điều khiển lên mức 1 và gửi đến chương trình chính để điều khiển xe theo hướng đã chọn Khi người dùng buông phím hoặc thay đổi hướng, tín hiệu điều khiển sẽ trở về mức 0.
Khối kiểm tra phím chỉnh tốc độ xe lăn hoạt động bằng cách gửi tín hiệu tương ứng với mức chỉnh tốc độ khi người dùng nhấn vào các mức từ 1 đến 5 Khi một mức được chọn, tín hiệu của mức đó sẽ được kích hoạt và truyền đến chương trình điều khiển để điều chỉnh tốc độ xe lăn.
1 và tín hiệu các mức khác sẽ bị về 0). c Lưu đồ giải thuật điều khiển bằng giọng nói
Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật toàn điều khiển bằng giọng nói
Giải thích lưu đồ điều khiển bằng giọng nói:
Khi khởi động hệ thống, quá trình đầu tiên là đọc các lệnh thoại đã được huấn luyện như "tới", "lui", "trái", "phải" và "dừng" để nạp tín hiệu đầu vào Hệ thống sẽ kiểm tra lệnh thoại "tới" đầu tiên, và nếu lệnh này được nhận dạng thành công, nó sẽ tiếp tục thực hiện các bước tiếp theo.
Từ Module nhận dạng giọng nói, tín hiệu sẽ được gửi đi để báo hiệu có lệnh "tới" và truyền đến chương trình điều khiển xe lăn, hướng dẫn di chuyển theo hướng đó.
Nếu khối kiểm tra đầu tiên không nhận tín hiệu "tới", nó sẽ kiểm tra tín hiệu "lui" Nếu có tín hiệu "lui", nó sẽ gửi tín hiệu này đến chương trình điều khiển xe Quá trình này tiếp tục với việc kiểm tra các lệnh "trái" và "phải".
"dừng" Khi thực hiện một lệnh thoại thì các tín hiệu của các lệnh thoại khác sẽ bị quay về mức không.
Riêng đối với lệnh thoại "dừng" nếu có tín hiệu (lên mức 1) thì sẽ làm các tín hiệu khác bị reset trở về mức 0 hết.
GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN
Giao diện điều khiển sẽ là nơi trực tiếp điều khiển xe chạy tiến, chạy lùi, rẽ trái, rẽ phải, thay đổi tốc độ xe.
Giao điện điều khiển này được tạo bằng phần mềm MIT App Inventor Quá trình thiết giao diện gồm 3 bước:
Bước 1: Thiết kế giao diện bằng cách kéo thả, sắp xếp các đối tượng sao cho hợp lý, phù hợp với nhu cầu điều khiển.
Hình 4.4 Giao diện thiết kế giao diện ứng dụng
Bước 2: Lập trình chức năng cho từng đối tượng trong giao diện.
Hình 4.5 Giao diện lập trình cho giao diện ứng dụng
Bước 3: Biên dịch, đóng gói thành file có đuôi.APK để cài đặt vào điện thoại
Giao diện hoàn thiện của ứng dụng bao gồm logo trường ĐHSPKT TP.HCM và 5 nút điều khiển: tiến, lùi, sang trái, sang phải, dừng xe, cùng với một thanh chọn tốc độ Xe có 5 mức tốc độ từ mức 1 đến mức 5 Kết quả giao diện sau khi hoàn thành được cài đặt trên điện thoại như hình 4.6.
Hình 4.6 Biểu tượng ứng dụng và ứng dụng điều khiển mô hình.
Chức năng của từng đối tượng trong ứng dùng được miêu tả như sau:
Hình 4.7 Các đối tượng có trong ứng dụng điều khiển
1: Logo trường đại học sư phạm kĩ thuật Tp HCM.
3: Vùng thay đổi tốc độ xe.
GIỚI THIỆU PHẦN LẬP TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN
Giới thiệu phần mềm lập trình Arduino IDE
Môi trường phát triển tích hợp (IDE) của Arduino là ứng dụng đa nền tảng, viết bằng Java, nhằm hỗ trợ người mới bắt đầu trong phát triển phần mềm Nó bao gồm trình soạn thảo mã với tính năng đánh dấu cú pháp, tự động canh lề, cũng như khả năng biên dịch và tải chương trình lên board chỉ với một cú nhấp chuột Bài viết này tập trung vào việc sử dụng Arduino IDE để lập trình cho Arduino UNO R3 và ESP8266 NodeMCU, với ngôn ngữ lập trình C và C++ Tất cả đều là mã nguồn mở, được cộng đồng hỗ trợ, giúp người mới dễ dàng tiếp cận và triển khai Arduino IDE tương thích với cả ba hệ điều hành: Windows, MAC OS và Linux.
HUẤN LUYỆN GIỌNG NÓI CHO MODULE VR3
Trên Module Reco V3, lệnh thoại được tổ chức thành một thư viện lớn, cho phép người dùng nhập bất kỳ 7 lệnh thoại nào vào bộ nhận dạng Điều này có nghĩa là chỉ có 7 lệnh thoại sẽ hoạt động hiệu quả cùng một lúc.
Hình 4.9 Số lệnh mà module có thể thực hiện
Ta tiến hành nạp code train bằng cách chọn File train có sẵn trong thư việnModule VR3
Hình 4.10 Cửa sổ khi nạp code huấn luyện Sau đó bấm nạp chương trình
Hình 4.11 Cửa sổ khi nạp code huấn luyện Sau khi nạp ta thấy trên Serial có nhiều lệnh hiện ra
Hình 4.12 Cửa sổ khi nạp code huấn luyện xong
Ta nhập lệnh train 0 để huấn luyện giọng số 0 Ta đọc 2 lần vào Micro thu âm cùng một giọng.
Hình 4.13 Cửa sổ khi nhập lệnh huấn luyện
Việc tiếp tục huấn luyện nhiều giọng nói sẽ giúp lưu trữ các giọng này khi kiểm tra bằng lệnh ghi âm, từ đó tạo ra dữ liệu quan trọng cho quá trình nhận dạng.
Hình 4.14 Cửa sổ khi đã huấn luyện xong Ta thực hiện lệnh load để load các Record cần sử dụng
Hình 4.15 Cửa số khi nhập lệnh load Và load đã thành công.
Hình 4.16 Cửa sổ khi load thành công
Cứ thế, ta chỉ cần nạp chương trình chính là có thể sử dụng những dữ liệu giọng nói này để nhận dạng.
PHẦN MỀM LẬP TRÌNH CHO ĐIỆN THOẠI
App Inventor là một công cụ lập trình thân thiện, phù hợp cho mọi đối tượng, bao gồm cả trẻ em, và được phát hành dưới dạng phần mềm tự do Nó đã tạo ra một hiện tượng đáng chú ý trong lĩnh vực lập trình ứng dụng di động Với nhiều loại thẻ lệnh đa dạng, App Inventor cho phép người dùng thực hiện nhiều chức năng khác nhau trên điện thoại Android, như lưu giữ thông tin, lặp lại các thao tác, và thực hiện các hành động dựa trên điều kiện đã định trước.
Ngày nay, MIT đã hoàn thiện App Inventor, cho phép người dùng dễ dàng tạo ứng dụng Android thông qua tài khoản Google Để sử dụng App Inventor, người dùng chỉ cần truy cập vào địa chỉ http://ai2.appinventor.mit.edu, đăng nhập bằng tài khoản Google của mình và bắt đầu xây dựng ứng dụng từ những ý tưởng nhỏ.
• Giao diện quản lý của project
Hình 4.17 Giao diện quản lý của project
Hình 4.18 Giao diện thiết kế
VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC
4.6.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng a Hướng dẫn sử dụng bằng App
Bước1: Đối với xe lăn chúng ta nhấn công tắc sang vị trí “ON” để cấp nguồn cho xe và hộp điều khiển
Hình 4.20 Công tắc bật/tắt nguồn sử dụng cho xe lăn
Sau khi cấp nguồn cho mô hình xe, module ESP8266 NodeMCU sẽ tạo ra một điểm truy cập wifi mang tên “WiFi_ESP8266_NODEMCU” Để kết nối, bạn chỉ cần mở phần cài đặt wifi trên điện thoại và chọn wifi “WiFi_ESP8266_NODEMCU”, không cần mật khẩu.
Bước 3: Mở ứng dụng đã được cài đặt trên điện thoại, ứng dụng có tên là “App_DATN”.
Hình 4.22 Biểu tượng của app điều khiển
Bước 4: Thao tác điều khiển xe thông qua các nút nhấn trên màn hình cảm ứng.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 66 b Hướng dẫn sử dụng bằng giọng nói
Bước1: Đối với xe lăn chúng ta nhấn công tắc sang vị trí “ON” để cấp nguồn cho xe và hộp điều khiển.
Sau khi cấp nguồn cho mô hình xe, chúng ta tiến hành đọc các lệnh điều khiển vào micro đã được huấn luyện cho module nhận dạng giọng nói VR3.
Từ mục tài liệu hướng dẫn sử dụng ta vẽ được lưu đồ quy trình thao tác như sau:
Hình 4.24 Quy trình thao tác sử dụng.
KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
5.1.1 Tổng quát kết quả đạt được
Những kết quả và kinh nghiệm đã đạt được sau khi chúng em hoàn thành đề tài này là:
Nghiên cứu cấu tạo và chức năng của module ESP8266 NodeMCU giúp người dùng lập trình để tạo điểm truy cập Wifi Qua đó, điện thoại có thể kết nối với Wifi này, từ đó truyền nhận dữ liệu và điều khiển mô hình một cách hiệu quả.
Nghiên cứu cấu tạo và chức năng của module nhận dạng giọng nói VR3 để lập trình điều khiển xe lăn Sử dụng mạch cầu BTS7960 và động cơ giảm tốc DC cho phép xe di chuyển tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải và điều chỉnh tốc độ Điều đặc biệt là xe có thể được điều khiển hoàn toàn bằng giọng nói.
Biết cách sử dụng phần mềm MIT App Inventor để xây dựng ứng dụng điều khiển mô hình trên điện thoại Android là một kỹ năng quan trọng Đồng thời, việc thành thạo các phần mềm lập trình như Arduino IDE cũng rất cần thiết cho việc phát triển các dự án công nghệ.
5.1.2 Kết quả mạch điều khiển trung tâm a Truyền nhận giữ liệu giữa điện thoại Adroid và module thu phát Wifi
Mô hình này sử dụng module Wifi ESP8266 NodeMCU để thiết lập một điểm truy cập wifi, cho phép điện thoại kết nối và điều khiển thiết bị một cách dễ dàng.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 68
Sau khi hoàn thành việc thi công mạch và phát triển ứng dụng điều khiển, việc kết nối điện thoại với điểm Wifi do thiết bị tạo ra đã diễn ra thành công Khoảng cách kết nối giữa điện thoại và thiết bị đạt tối đa 10 mét.
Để thực hiện việc trao đổi và truyền nhận dữ liệu chính xác giữa điện thoại và module Wifi ESP8266, dữ liệu từ ứng dụng điện thoại sẽ được gửi và hiển thị trên cửa sổ Serial Monitor trong ứng dụng Arduino IDE.
Hình 5.1 Cửa sổ Serial Monitor b Truyền nhận dữ liệu giữa module nhận dạng giọng nói và module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU, điều khiển mạch công suất BTS7960
Mạch nhận dạng giọng nói sử dụng giao tiếp UART với ESP8266, đạt tốc độ baud 115200 để nhận dữ liệu chính xác Dữ liệu này được so sánh và điều khiển động cơ thông qua mạch cầu H BTS7960, cho phép động cơ quay thuận, quay nghịch và thay đổi tốc độ theo lệnh từ ứng dụng trên điện thoại.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 69 c Bộ điều khiển trung tâm
Hình 5.2 Kết nối các module thực tế
Hình 5.3 Hộp điều khiển hoàn chỉnh
Dựa trên yêu cầu và ứng dụng của đề tài, nhóm chúng tôi đã nghiên cứu và lựa chọn các thiết bị, module phù hợp để đáp ứng đầy đủ các yêu cầu Kết quả thực tế là nhóm đã kết nối các module dựa trên thông số kỹ thuật của từng thiết bị, tạo nên một khối điều khiển trung tâm hiệu quả.
Thống kê cho thấy độ chính xác thực tế của từng lệnh được kiểm tra 10 lần, trong đó điều khiển bằng ứng dụng đạt 100% và điều khiển bằng giọng nói có kết quả đáng chú ý.
5.1.4 Kết quả ứng dụng điều khiển
Hình 5.4 Giao diện hoàn chỉnh
Giao diện ứng dụng hoàn chỉnh bao gồm logo của trường ĐHSPKT TP.HCM, một khung thông báo phát hiện kim loại, và 5 nút điều khiển cho các chức năng tiến, lùi, sang trái, sang phải, và dừng xe Bên cạnh đó, có một thanh để người dùng chọn tốc độ với 5 mức tốc độ từ 1 đến 5.
Ứng dụng xe lăn hoàn chỉnh đã đáp ứng yêu cầu đề tài, cho phép điều khiển xe di chuyển tiến, lùi, xoay trái, xoay phải, dừng lại và thay đổi tốc độ.