Hệ thống điều khiến thông minh các thiết bị qua bluetooth

Việc nghiên cứu và thiết kế một bộ sản phẩm điều khiển thiết bị không dây có một ý nghĩa lớn, giúp tăng thêm sự lựa chọn cho người sử dụng, sản phẩm được sản xuất trong nước nên giá thàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

HỆ THỐNG ÐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CÁC

THIẾT BỊ QUA BLUETOOTH

MÃ SỐ: T2015-68

Tp Hồ Chí Minh, 2015

S 0 9

S KC 0 0 5 5 8 5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CÁC

THIẾT BỊ QUA BLUETOOTH

MÃ SỐ: T2015 - 68

Chủ nhiệm đề tài: THS NGUYỄN VĂN HIỆP

TP HCM, 11/2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CÁC

THIẾT BỊ QUA BLUETOOTH

MÃ SỐ: T2015 – 68

Chủ nhiệm đề tài: THS NGUYỄN VĂN HIỆP

TP HCM, 11/2014

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU

ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH

A Các thành viên tham gia gồm có

1 NGUYỄN VĂN HIỆP

B Các đơn vị phối hợp

1 Nhóm giảng viên dạy thực hành vi xử lý – vi điều khiển của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ thuật

MỤC LỤC

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ

PHỐI HỢP CHÍNH 1

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ 3

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 5

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 6

MỞ ĐẦU 7

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 8

CÁCH TIẾP CẬN 10

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 12

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 13

CHƯƠNG I 14

CHƯƠNG II 21

CHƯƠNG III 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

WEBSITE THAM KHẢO 56

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1: Các phiên bản Android

Hình 1.2: Hình ảnh thực tế Module Bluetooth HC-06

Hình 1.3: Hình ảnh thực tế của module RTC DS1307

Hình 1.4: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC18F4620

Hình 2.1: Sơ đồ khối của toàn hệ thống

Hình 2.2: Hình ảnh thực tế của mạch nguồn xung 220VAC-5VDC

Hình 2.3: Hình ảnh thực tế Module Bluetooth HC-06

Hình 2.4: Hình ảnh thực tế của module RTC DS1307

Hình 2.5: Kết nối nút nhấn với vi điều khiển dùng điện trở kéo lên

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý khối nút nhấn

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý khối ngõ ra công suất/đèn báo

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm

Hình 2.9: Lưu đồ giải thuật chương trình chính

Hình 2.10: Lưu đồ giải thuật chương trình con “Xử lý nút nhấn”

Hình 2.11: Lưu đồ giả thuật chương trình con “Xử lý nhấn nút BTNx”

Hình 2.12: Lưu đồ giải thuật chương trình con “”Xử lý hẹn giờ”

Hình 2.13: Lưu đồ giải thuật chương trình con “Xử lý ngắt UART”

Hình 2.14: Lưu đồ giải thuật chương trình con ”Xử lý kết nối”

Hình 2.15: Lưu đồ giải thuật chương trình con ”Xử lý điều khiển”

Hình 3.1: Bộ điều khiển sau khi hoàn thành

Hình 3.2: Điều khiển thiết bị trên bộ điều khiển

Hình 3.3: Giao diện tìm kiếm

Hình 3.4: Giao diện lịch sử

Hình 3.5: Giao diện điều khiển

Hình 3.6: Điều khiển thiết bị bằng ứng dụng trên điện thoại

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tên và chức năng các chân DS1307

Bảng 1.2: Đặc điểm kỹ thuật của PIC18F4620

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp HCM, ngày 24 tháng 10 năm 2015

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

-Tên đề tài: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CÁC THIẾT BỊ QUA BLUETOOTH

- Mã số: T2015 - 68

- Chủ nhiệm: Ths NGUYỄN VĂN HIỆP

- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Thời gian thực hiện:

4 Kết quả nghiên cứu:

Hoàn thành hệ thống điều khiển tiêu thụ điện tiết kiệm, thẩm mỹ, gọn nhẹ

5 Sản phẩm:

Bộ sản phẩm BlueControl

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

Hệ thống đã được ứng dụng để điều khiển các thiết bị điện ở hộ gia đình cho hiệu quả tích cực, vận hành ổn định, đạt yêu cầu về an toàn và tiết kiệm

Hệ thống có khả năng áp dụng cho các phòng học và các phòng làm việc và được điều khiển bởi hệ thống trung tâm thông qua giao tiếp Bluetooth

MỞ ĐẦU

Thời gian gần đây, khoa học kỹ thuật đang có những bước phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử và công nghệ thông tin Các chip xử lý được tích hợp ngày càng nhiều bóng bán dẫn nhưng kích thước lại nhỏ hơn trước và tiêu thụ điện năng thấp hơn Sự phát triển đó đã hỗ trợ rất nhiều cho con người, ngày càng nhiều các hệ thống và thiết bị thông minh được tạo ra để phục vụ cuộc sống Sản phẩm thông minh gần gũi với con người nhất đó là điện thoại thông minh (SmartPhone), với SmartPhone bạn có thể giải trí, làm việc, cập nhật mọi thông tin cần thiết Nhờ vào sự phát triển của lĩnh vực điện tử mà SmartPhone ngày càng được tích hợp nhiều chức năng trong khi đó giá thành ngày càng rẻ Một sản phẩm khác cũng rất gần gũi và phổ biến đó là nhà thông minh (SmartHome), với SmartHome bạn có thể kiểm soát ngôi nhà bất cứ đâu, các thiết bị trong nhà được điều khiển không dây làm tăng thêm tính thẩm mỹ

Hiện nay, một xu hướng mới được hình thành và ứng dụng rộng rãi là sử dụng SmartPhone điều khiển SmartHome Từ SmartPhone có thể quan sát ngôi nhà, điều khiển các thiết bị và cài đặt các chế độ hoạt động cho ngôi nhà

Nhận thấy tiềm năng phát triển của điều khiển không dây, đặc biệt là việc sử dụng SmartPhone để điều khiển thiết bị, chúng tôi quyết định thực hiện đề tài: “Hệ thống điều khiển thông minh các thiết bị qua Bluetooth” Đây là cơ hội để chúng tôi nghiên cứu kết nối không dây Bluetooth, đồng thời tìm hiểu hệ điều hành Android (hệ điều hành phổ biến nhất trong thế giới SmartPhone hiện nay) Từ đó có thể tạo ra một ứng dụng điều khiển thiết bị bằng SmartPhone với nhiều tính năng ứng dụng công nghệ truyền không dây Bluetooth

Mặc dù chúng tôi đã rất cố gắng hoàn thành đề tài nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong quý Thầy/Cô đóng góp ý kiến để chúng tôi có thể hoàn thiện

đề tài và tạo ra những sản phẩm tốt hơn

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Ngày nay, xã hội phát triển mạnh mẽ, kỹ thuật ngày càng hiện đại nên nhu cầu về trao đổi thông tin giải trí, nhu cầu về điều khiển các thiết bị từ xa,…ngày càng cao Và những hệ thống dây cáp phức tạp lại không thể đáp ứng nhu cầu này, nhất là ở những khu vực chật hẹp, những nơi xa xôi, trên các phương tiện vận chuyển,… Vì vậy công nghệ không dây đã ra đời và phát triển mạnh mẽ, tạo rất nhiều thuận lợi cho con người trong đời sống hằng ngày

Kỹ thuật không dây phục vụ rất nhiều nhu cầu khác nhau của con người từ nhu cầu làm việc, học tập đến các nhu cầu giải trí như chơi game, xem phim, nghe nhạc.… Với nhu cầu đa dạng và phức tạp đó kỹ thuật không dây đã đưa ra nhiều chuẩn với các đặc điểm kỹ thuật khác nhau để phù hợp với từng nhu cầu mục đích và khả năng của người sử dụng như IrDA, WLAN với chuẩn 802.11, ZigBee, OpenAir, UWB, Bluetooth… Mỗi chuẩn kỹ thuật đều có những ưu khuyết điểm riêng của nó và Bluetooth đang dần nổi lên là kỹ thuật không dây có nhiều ưu điểm rất thuận lợi cho những thiết bị di động Với một tổ chức nghiên cứu đông đảo, hiện đại và số lượng nhà sản xuất hỗ trợ kỹ thuật Bluetooth vào sản phẩm của họ ngày càng tăng, Bluetooth đang dần lan rộng ra khắp thế giới, xâm nhập vào mọi lĩnh vực của thiết bị điện tử và trong tương lai mọi thiết bị điện tử điều có thể hỗ trợ kỹ thuật này

Trong những năm gần đây công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây đang có những bước phát triển mạnh mẽ, góp công lớn trong việc phát triển các hệ thống điều khiển, giám sát từ xa, đặc biệt là các hệ thống thông minh Hiện nay, có khá nhiều công nghệ không truyền nhận dữ liệu không dây như RF, Wifi, Bluetooth, NFC,…Trong đó, Bluetooth là một trong những công nghệ được phát triển từ lâu và luôn được cải tiến để nâng cao tốc độ cũng như khả năng bảo mật

Trên thị trường Việt Nam hiện nay chưa có nhiều sản phẩm điều khiển thiết bị không dây, đa số những sản phẩm hiện có đều là nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao Việc nghiên cứu và thiết kế một bộ sản phẩm điều khiển thiết bị không dây có một ý nghĩa lớn, giúp tăng thêm sự lựa chọn cho người sử dụng, sản phẩm được sản xuất trong nước nên giá thành rẻ và góp phần phát triển các hệ thống điều khiển thông minh

Do đó, chúng tôi quyết định thực hiện đề tài: “Hệ thống điều khiển thông minh các thiết bị qua Bluetooth” Đề tài ứng dụng công nghệ Bluetooth phổ biến trên nhiều thiết bị, đặc biệt điểm mới của đề tài so với các sản phẩm hiện có là điều khiển thông qua hệ điều hành Android giúp tận dụng những thiết bị sử dụng hệ điều hành Android có sẵn của người dùng giúp giảm giá thành sản phẩm, ngoài ra với màn hình hiển thị lớn của điện thoại cho phép hiển thị nhiều thông tin hơn

Trở lại với thiết bị của nhóm nghiên cứu là phục vụ cho các phòng học, phòng thí nghiệm, phòng thực hành, văn phòng làm việc thì chƣa có thiết bị điều khiển phù hợp với các thiết bị sử dụng trong phòng làm việc nhầm mục đích sử dụng thiết bị điện hiệu quả và tiết kiệm

- Khảo sát các văn phòng làm việc của các bộ quản lý cấp khoa, cấp bộ môn

- Ghi nhận số lƣợng thiết bị dân dụng sử dụng điện, ghi nhận công suất

- Từ các dữ liệu thu thập nhóm tiến hành tính toán thiết kế thử nghiệm cho đến khi đạt đƣợc sản phẩm mông muốn

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

 Tiến hành thu thập dữ liệu các thiết bị điện đang sử dụng ở các phòng thực hành, phòng làm việc, tại các hộ gia đình trong khảo sát

 Phân tích tổng hợp các dữ liệu về loại thiết bị, số lượng thiết bị, công suất thiết

bị

 Thiết kế sơ đồ khối

 Tính toán và lựa chọn linh kiện cho phù hợp với các yêu cầu của từng khối

 Khả năng tương thích, khả năng mở rộng

 Tiến hành thi công, lập trình

 Thử nghiệm thực tế

 Chỉnh sửa lại thiết kế và chương trình cho phù hợp

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Sau khi tìm hiểu thông tin về đề tài, cùng với những hiểu biết sẵn có và tìm kiếm thông tin từ những đồ án các khóa trước đã thực hiện, chúng tôi xác định các đối tượng cần nghiên cứu là:

- Công nghệ Bluetooth: khái niệm về Bluetooth, các đặc điểm của công nghệ Bluetooth, liên kết vật lý trong công nghệ Bluetooth, các chế độ kết nối, cách thức hoạt động;

- Hệ điều hành Android: kiến trúc hệ điều hành Android, chu kỳ sống các ứng dụng chạy trên hệ điều hành Android, phần mềm hỗ trợ lập trình Android Studio, ngôn ngữ lập trình Java;

- Module Bluetooth HC-06: các thông số kỹ thuật, nguyên lý hoạt động của module HC-06;

- Vi điều khiển PIC18F4620: các thông số kỹ thuật nổi bật phù hợp với yêu cầu đề tài,

sự hỗ trợ phần cứng của vi điều khiển để lập trình code điều khiển cho phù hợp;

- Module RTC DS1307: các thông số kỹ thuật của module; nguyên lý hoạt động, các thanh ghi của DS1307

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu được chia làm 3 chương:

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Chương 2: Thiết kế hệ thống

Chương 3: Kết quả nghiên cứu

CHƯƠNG I

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Công nghệ Bluetooth

1.1.1 Khái niệm Bluetooth

Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao tiếp với nhau trong khoảng cách ngắn, bằng sóng vô tuyến qua băng tần chung ISM (Industrial, Scientific, Medical) trong dãy tần số 2.4 – 2.48GHz và có khả năng truyền tải dữ liệu nhanh, bảo mật và ít nhiễu Đây là dãy băng tần không cần đăng ký được dành riêng cho các thiết

bị không dây trong công nghiệp, khoa học và y tế

Bluetooth được thiết kế nhằm mục đích thay thế dây cable giữa máy tính và các thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử lại với nhau một cách thuận lợi với giá thành rẻ

Khi được kích hoạt, Bluetooth có thể tự động định vị những thiết bị khác có chung công nghệ trong vùng xung quanh và bắt đầu kết nối với chúng Nó được định hướng sử dụng cho truyền dữ liệu lẫn giọng nói

Công nghệ không dây Bluetooth là một tiêu chuẩn trong thực tế, dùng cho các thiết bị cỡ nhỏ, chi phí thấp, liên kết giữa PC và điện thoại di động hoặc giữa các máy tính với nhau…

- Khoảng cách giao tiếp cho phép:

● Khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngoài trời và 5m trong tòa nhà;

● Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access point có thể lên đến 100m ngoài trời và 30m trong tòa nhà

- Bluetooth sử dụng băng tần không đăng ký 2.4GHz Tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt mức tối đa 1Mbps (do sử dụng tần số cao) mà các thiết bị không cần phải thấy trực tiếp nhau (Light-of-sight requirements);

- Dễ dàng trong việc phát triển các ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng này với một ứng dụng khác thông qua các chuẩn “BluetoothProfiles”, do đó có độc lập về phần cứng và hệ điều hành sử dụng;

- An toàn và bảo mật: được tích hợp với sự xác nhận và mã hóa;

- Tính tương thích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần mềm hỗ trợ;

- Sử dụng “frequency hopping” giúp giảm nhiễu sóng;

- Có khả năng bảo mật từ 8 – 128bit

1.1.3 Nhược điểm

- Do sử dụng mô hình ad-hoc không thể thiết lập các ứng dụng thời gian thực;

- Khoảng cách kết nối còn ngắn so với các công nghệ mạng không dây khác;

- Số thiết bị active, park cùng lúc trong một piconet (mạng liên kết giữa máy tính với các thiết bị thông qua giao thức của công nghệ bluetooth) còn hạn chế;

- Tốc độ truyền thông Bluetooth chưa cao;

- Bị nhiễu bởi một số thiết bị sử dụng sóng radio khác (lò vi sóng);

Android có một cộng đồng phát triển ứng dụng rất lớn, tính đến tháng 08/2014 hiện

có hơn khoảng 1.4 triệu có sẵn trên Play Store và đang liên tục được cập nhật Ứng dụng được phát triển bằng ngôn ngữ Java kết hợp với thư viện Java có sẵn của Google Các nhà phát triển ứng dụng có thể sử dụng máy tính chạy hệ điều hành Windows hoặc MacOS hoặc Linux kết hợp với Android SDK để phát triển ứng dụng cho Android

1.2.2 Các phiên bản Anroid

Hình 1.1: Các phiên bản Android

1.2.3 Ưu điểm

Tính linh hoạt: Android kế thừa tính mở từ Linux, hay nói cụ thể hơn là Google và Android mang đến một thế giới hoàn toàn mở Với Apple, người dùng dường như bị cột chặt với những gì hãng này cho phép, từ tính năng chuẩn cho đến ứng dụng – chỉ những ứng dụng được Apple công nhận mới có thể hoạt động trên iPhone một cách hợp pháp Apple tin rằng đó là cách để họ kiểm soát cả guồng máy kinh doanh, từ thiết bị đầu cuối, dịch vụ cho đến ứng dụng bổ sung Trong khi đó, với thế giới Android, người dùng được tự do với những gì họ muốn, các nhà phát triển có được sự tự do hơn để tạo và thương mại các ứng dụng, và các nhà sản xuất có thể tùy biến lại những trải nghiệm Android cho khách hàng của riêng mình

Gia tăng về số lượng thiết bị: Một thực tế là, chỉ có iPhone và các sản phẩm mang nhãn Apple mới sử dụng iOS Đó có thể là sản phẩm tốt nhất thế giới, nhưng nếu chỉ có duy nhất một thiết bị như thế thì chắc chắn rằng khách hàng sẽ không sớm thì muộn cảm thấy họ

có quá ít lựa chọn Với Android, sự lựa chọn có phần thoải mái hơn

Nhiều công cụ dành cho người dùng hơn: Với App Inventor, Google đã thậm chí đặt vào tay người dùng nhiều sức mạnh hơn Với rất nhiều bộ công cụ phát triển dạng tự tay thực hiện (Do-It-Yourself) được Google và các đối tác cung cấp, chưa bao giờ việc tạo ứng dụng lại dễ dàng đến thế với người dùng và kể các lập trình viên Tuy nhiên, nhiều người lại cho rằng điều này sẽ khiến cho Android tràn ngập ứng dụng rác, nhưng chắc chắn một điều rằng, trong số đó sẽ có vài ứng dụng đáng đồng tiền bát gạo

Hiệu ứng từ thương hiệu Google: Rõ ràng là Android không hề đơn độc bởi hiện có vài HĐH trên nền Linux khác cũng đang làm mưa làm gió trên vùng đất di động, điển hình

là Bada của Samsung hay MeeGo của liên doanh Nokia – Intel Điểm khác biệt nằm ở chỗ Android được Google chống lưng và tiền tố Google đi cùng với Android là một thương hiệu đáng giá

1.2.4 Nhược điểm

Thời lượng sử dụng pin thấp: Hầu hết các thiết bị Android đều có thời lượng pin thấp

và đây là một trong những vấn đề quan trọng mà Google và các nhà sản xuất thiết bị Android đang chú trọng giải quyết Android đa năng nhưng khó kích hoạt: Khi trải nghiệm Android lần đầu, bạn sẽ thấy nhiều thứ đang hoạt động Có hàng loạt widget, ứng dụng và lựa chọn mà bạn chưa hề biết đến Chẳng hạn như Galaxy S III sở hữu những tính năng độc đáo mà iPhone không thể làm được Đáng tiếc, bạn cũng phải tùy chỉnh không ít cài đặt nếu muốn kích hoạt tính năng Chúng là điều khó khăn đối với người mới dùng Android

Nội dung giải trí: Google đang không ngừng cải tiến nội dung của Play Store, cung cấp chương trình giải trí truyền hình và thêm nhiều phim cho thuê trên thiết bị Android… Nhưng so sánh với iTunes, sự lựa chọn vẫn còn thua xa những gì bạn nhận được trên iOS Khi nhắc đến lĩnh vực âm nhạc, Google Play còn thiếu vắng nội dung của Warner, một trong bốn hãng ghi âm lớn nhất hành tinh

Phụ kiện cho thiết bị Android chưa thực sự tốt: Dễ nhận thấy, giới sản xuất phụ kiện dường như kém quan tâm đến Android Trên thị trường có rất nhiều phụ kiện độc dành cho

iPhone, không những hỗ trợ chụp ảnh tốt mà còn tăng cường dung lượng pin Nghĩ một cách đơn giản, dòng điện thoại Android không có được sự nhiệt tình tương tự từ đối tác làm phụ kiện

Dễ nhiễm phần mềm độc hại và virus: Android hoạt động như hệ điều hành mở và xuất hiện những kho ứng dụng không chính thức Bởi vậy, thiết bị Android dễ nhiễm

malware hoặc ứng dụng giả mạo Gần đây nhất, một virus đánh cắp thông tin qua SMS đã xuất hiện trên kho ứng dụng Android tại Trung Quốc Ước tính có hơn 500.000 người bị lây

nhiễm loại virus này

sẽ giống như truyền nhận dữ liệu trực tiếp với UART trên module Lưu ý là khi thay đổi Baudrate cho COM ảo không làm thay đổi baudrate của UART, baudrate UART chỉ có thể thay đổi bằng AT command trên module Module HC-06 được setup mặc định là Slave không thể thay đổi được nên chỉ có thể giao tiếp với các thiết bị bluetooth ở dạng master như Smart phone, HC-05 master, hai module bluetooth được set là Slave không thể giao tiếp với nhau

 Đặc điểm kỹ thuật

- Sử dụng CSR mainstream bluetooth chip, bluetooth V2.0 protocol standard;

- Sử dụng băng tần ISM: 2.4GHz – 2.48GHz;

- Mức năng lượng được sử cho phép: class2;

- Điện áp làm việc của module từ 2.7 – 3.3V;

- Điện áp hoạt động của UART từ 3.3 – 5V;

- Nhiệt độ lưu trữ: -40oC – 85oC;

- Dòng điện khi hoạt động: khi pairing là 30mA, sau khi pairing hoạt động truyền nhận bình thường 8mA;

- Tốc độ Baudrate UART cho phép: 1200,2400,4800,19200, 38400, 57600, 115200,

● Bao gồm 1 IC thời gian thực DS1307;

● Sử dụng nguồn Pin 3V bên ngoài khi mất điện;

● 5 pin bao gồm giao thức I2C sẵn sàng cho việc giao tiếp: SDA, SCL, GND, VCC

và SQW;

● IC DS1307 Có 56 byte Ram trống để người dùng tùy ý sử dụng;

● Sử dụng thạch anh 32768KHz tạo dao động cho IC DS1307;

5 SDA Đường dữ liệu trong chuẩn giao tiếp I2C

6 SCL Đường xung nhịp trong chuẩn giao tiếp I2C

7 SQW(out) Tạo xung vuông với tần số có thể lập trình được

Bộ nhớ chương trình (Flash) 64Kbytes

Bộ nhớ dữ liệu (Ram) 4Kbytes

Truyền thông nối tiếp UART, SPI

Truyền thông song song Có

Module ADC – 10 bits 13 kênh

Bảng 1.2: Đặc điểm kỹ thuật của PIC18F4620

b) Một số đặc tính kỹ thuật nổi bật

- Quản lý năng lượng:

● Run: CPU on, ngoại vi on;

● Idle: CPU off, ngoại vi on;

● Sleep: CPU off, ngoại vi off;

● Dòng rò ngõ vào rất thấp 50nA;

● Chế độ Run tiêu thụ điện năng dưới 11µA;

● Chế độ idle tiêu thụ điện năng dưới 2.5µA;

● Chế độ Sleep tiêu thụ điện năng dưới 100nA

- Đặc điểm nổi bật của thiết bị ngoại vi:

● Có 4 chế độ sử dụng thạch anh, tần số lên đến 40MHz;

● Chế độ nhân 4 lần tần số sử dụng khi dùng do động nội;

● Có thể lựa chọn 8 tần số từ 8MHz đến 31MHz;

● Dòng vào tại các chân IO lên đến 25mA;

● Hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp 3-wire SPI, I2C (Master and Slave modes) ;

● 13 kênh ADC 10 bit, có thể lấy 100K mẫu trong 1s;

● Có 2 bộ so sánh Analog

- Các tính năng đặc biệt của vi điều khiển:

● CPU hoạt động với tốc độ tối đa 10MIPS;

● Kiến trúc hỗ trợ tối ưu cho các trình biên dịch ngôn ngữ C;

● Bộ nhớ Flash program 64KB có khả năng lên đến 100,000 lần;

● Bộ nhớ Eeprom 1024B tuổi thọ lên đến 100 năm và khả năng ghi đọc lên đến 1,000,000 lần;

● Điện áp hoạt động từ 2V đến 5.5V;

● Công nghệ tiết kiệm năng lượng nanoWatt

ra, khi không kết nối với điện thoại thì vẫn có thể điều khiển đƣợc thiết bị ngay trên bộ điều khiển Cụ thể nhƣ sau:

a) Sơ đồ khối hệ thống

b) Sơ đồ khối bộ điều khiển Hình 2.1: Sơ đồ khối của toàn hệ thống

- Ứng dụng BlueControl trên điện thoại:

● Tìm kiếm, cập nhật các bộ điều khiển nằm trong phạm vi tìm kiếm của thiết bị sử dụng hệ điều Andorid ngay khi mở ứng dụng;

● Có chế độ bảo mật khi muốn kết nối với bộ điều khiển;

● Điều khiển, cập nhật trạng thái thiết bị và cập nhật lịch sử khi đã kết nối với bộ điều khiển;

● Có thể thay đổi thông tin của bộ điều khiển và thiết bị được điều khiển tương ứng với bộ điều khiển và thiết bị được điều khiển trên thực tế;

● Có chế độ hẹn giờ mở/tắt để điều khiển thiết bị theo nhu cầu của người dùng;

● Có chức năng khôi phục lại cài đặt gốc ban đầu;

● Giao diện đẹp, bắt mắt, trực quan và thân thiện với người dùng đồng thời hỗ trợ ngôn ngữ Tiếng Việt

- Bộ điều khiển:

● Thiết kế nhỏ gọn, thẩm mỹ;

● Giao tiếp với ứng dụng trên thoại qua Bluetooth (truyền nhận dữ liệu);

● Điều khiển ngõ ra bằng nút nhấn trên bộ điều khiển hoặc bằng ứng dụng trên điện thoại;

● Ngõ ra nối với các thiết bị cần điều khiển có điện áp 220VAC, công suất tối đa 1000W; có kèm theo đèn báo (led) tương ứng với trạng thái từng ngõ ra;

● Xử lý hẹn giờ tắt/mở cho cho từng thiết bị theo thời gian thực;

● Có cầu chì bảo vệ thiết bị khi xảy ra sự cố;

● Lưu lịch sử điều khiển thiết bị khi không kết nối với điện thoại và cập nhật khi kết nối với điện thoại;

● Một bộ điều khiển có thể kết nối tối đa với ba điện thoại;

● Có nút RESET để đặt lại trạng thái ban đầu cho bộ điều khiển

2.1.2 Sơ đồ và chức năng từng khối

- Khối nguồn:

Chuyển đổi điện áp 220VAC lấy từ lưới điện quốc gia thành điện áp 5VDC cung cấp cho các khối còn lại hoạt động

- Khối xử lý trung tâm:

● Truyền nhận dữ liệu với điện thoại qua khối module Bluetooth;

● Xử lý dữ liệu nhận được từ khối module Bluetooth hoặc tín hiệu điều khiển từ nút nhấn để thay đổi trạng thái các thiết bị;

● Xử lý kết nối: cho phép tối đa ba điện thoại kết nối với bộ điều khiển;

● Lưu lịch sử điều khiển và hẹn thời gian tắt/mở thiết bị vào EEPROM khi không kết nối với điện thoại;

● Cập nhật lịch sử điều khiển khi bộ điều khiển kết nối với điện thoại;

● Giao tiếp với khối RTC để xử lý thời gian thực

- Khối RTC:

Cập nhật thời gian tắt/mở, hẹn giờ tắt/mở thiết bị theo thời gian thực

- Khối module Bluetooth:

Cầu nối để truyền nhận dữ liệu giữa bộ điều khiển và điện thoại Sử dụng chuẩn kết nối UART

- Khối nút nhấn:

Trực tiếp điều khiển trạng thái thiết bị ngõ ra khi bộ điều khiển không kết nối với điện thoại; có nút RESET để đặt lại trạng thái ban đầu cho bộ điều khiển

- Khối ngõ ra công suất/đèn báo:

● Ngõ ra công suất: kết nối trực tiếp với các thiết bị cần điều khiển; nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm để tắt/mở thiết bị Cách ly tín hiệu điều khiển với điện áp 220VAC Ngoài ra còn có cầu chì để bảo vệ thiết bị;

● Đèn báo: cho biết trạng thái nguồn cung cấp, trạng thái kết nối của bộ điều khiển cũng như trạng thái của từng ngõ ra

2.2 Thiết kế, tính toán hệ thống

2.2.1 Khối nguồn

Hiện nay, nguồn xung ngày càng xuất hiện nhiều trong các thiết bị thay thế cho hệ thống nguồn dùng máy biến áp to lớn, mà dòng điện nhỏ Để đáp ứng yêu cầu về thẩm mỹ

và dòng lớn chúng tôi lựa chọn nguồn xung bán sẵn trên thị trường, vừa nhỏ gọn, giá thành

rẻ, vừa dễ dàng thay thế, sửa chữa, đồng thời tiết kiệm được khoảng thời gian thiết kế phần nguồn Phần ngõ ra 5VDC của nguồn xung chỉ cần lắp thêm tụ 104 để lọc nhiễu cao tần rồi đưa vào cung cấp cho bộ điều khiển hoạt động

Thông số kỹ thuật của nguồn xung:

- Kích thước: 3x2x1.8 cm;

- Điện áp ngõ vào : 90VAC - 265VAC;

- Dòng ngõ vào : 14mA (220VAC);

- Điện áp ngõ ra: 4.8 - 5.2V;

- Dòng ngõ ra: 0 - 700mA, maximum lên đến 800mA;

- Công suất: 3.5W , tối đa 4W;

Hình 2.2: Hình ảnh thực tế của mạch nguồn xung 220VAC-5VDC

2.2.2 Khối module Bluetooth

Trên thị trường hiện nay có khá nhiều module Bluetooth hỗ trợ vi điều khiểu giao tiếp với thiết bị khác thông qua kết nối Bluetooth, một số module Bluetooth thường được sử dụng trong thực tế như: module Bluetooth HC-05, module Bluetooth HC-06, Bluetooth Smart Module, CC2560-PAN1315 (Bluetooth v2.1 + EDR Transceiver Texas Isntruments), WT11i Bluetooth Class 1 Module,… Tuy nhiên, module Bluetooth HC-06 là lựa chọn tối

ưu cho đồ án này vì: giá thành rẻ hơn so với các Module khác, tốc độ hoạt động phù hợp với truyền dữ liệu điều khiển thiết bị, dễ dàng mua ở thị trường Việt Nam, được nhiều người

sử dụng và đánh giá là rất ổn định Hiện nay, đã có thêm các Module Bluetooth hỗ trợ công nghệ Bluetooth 4.0 nhưng giá thành những module này cao hơn rất nhiều so với Module Bluetooth HC-06, ưu điểm của công nghệ Bluetooth 4.0 là tốc độ cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ lên tới 24 Mbps trên nền mạng không dây (Wi-Fi), tiêu thụ năng lượng thấp hơn, bảo mật tốt hơn Tuy nhiên, với các yêu cầu đề ra thì việc ứng dụng công nghệ Bluetooth 4.0 là không cần thiết, gây tốn kém hơn về chi phí sản xuất

Hình 2.3: Hình ảnh thực tế Module Bluetooth HC-06 2.2.3 Khối RTC

Để vi điều khiển giao tiếp điều khiển theo thời gian thực hiện nay trên thị trường có khá nhiều các module như: module RTC DS1307, module RTC DS3231, module RTC DS1302, module RTC PCF8583… Tuy nhiên, module RTC DS1307 được lựa chọn vì hỗ trợ chuẩn giao tiếp I2C, dễ dàng mua ở thị trường Việt Nam, hoạt động ổn định

Hình 2.4: Hình ảnh thực tế của module RTC DS1307

2.2.4 Khối nút nhấn

Khối này gồm các nút nhấn cho phép điều khiển trực tiếp trạng thái ngõ ra mà không cần kết nối điện thoại Các nút nhấn được thiết kế theo kiểu tác động mức thấp Việc chống dội cho nút nhấn được xử lý bằng phần mềm

Để giao tiếp với nút nhấn, chân vi điều khiển phải được cấu hình là một ngõ vào (input) Muốn xác định chính xác trạng thái tại chân ngõ vào là HIGH (mức cao) hay LOW (mức thấp) phải sử dụng điện trở kéo lên hoặc kéo xuống kết nối với chân ngõ vào của vi điều khiển Ở đây thiết kế nút nhấn theo kiểu tác động mức thấp, do đó phải sử dụng điện trở kéo lên

Hình 2.5: Kết nối nút nhấn với vi điều khiển dùng điện trở kéo lên

Giá trị điện trở kéo lên cần đáp ứng hai điều kiện:

- Khi nhấn nút: dòng điện chạy trực tiếp từ Vcc xuống GND thông điện trở kéo lên R1,

vì thế giá trị của R1 không được thấp quá để tránh lãng phí dòng điện cũng như không làm ảnh hưởng đến vi điều khiển

- Khi không nhấn nút: R1 kết hợp với điện trở trong R2 tại ngõ vào của vi điều khiển tạo ra mạch phân áp, điện áp tại ngõ vào sẽ phụ thuộc vào R1 R1 phải có giá trị sao cho điện áp tại ngõ vào không nhỏ hơn VIH của vi điều khiển

Giá trị điện trở trong của vi điều khiển thường từ 100kΩ đến 1MΩ Thường chọn giá trị điện trở kéo nhỏ hơn 1/10 điện trở input VIH của vi điều khiển là 2V Do đó, chúng tôi chọn giá trị điện trở kéo lên là 10kΩ

Dòng điện đi vào vi điều khiển khi nhấn nút:

Điện áp tại ngõ vào khi không nhấn nút (giả sử điện trở trong là 100kΩ):

Để tiết kiệm diện tích của board mạch, chúng tôi chọn sử dụng điện trở dạng thanh làm điện trở kéo lên

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý khối nút nhấn 2.2.5 Khối đèn báo và ngõ ra công suất

Dùng điện áp 220VAC để cung cấp cho thiết bị công suất Để cách ly tín hiệu điều khiển với phần thiết bị công suất có nhiều phương án thực hiện như relay tiếp điểm cơ khí, Solid State Relay, MOC + Triac,…, tuy nhiên 2 phương án được sử dụng nhiều nhất hiện nay là dùng relay tiếp điểm cơ khí và MOC + Triac vì mạch điện đơn giản, giá thành rẻ Relay tiếp điểm cơ khí chỉ phù hợp với ứng dụng tốc độ điều khiển thấp, phải có hệ thống nguồn riêng để cách ly với mạch nguồn nuôi vi điều khiển để chống nhiễu do phát sinh tia lửa điện lên vi điều khiển MOC + Triac có các ưu điểm sau: giá thành rẻ, không phát sinh tia lửa điện, không cần nguồn nuôi riêng, tốc độ đáp ứng nhanh, tuổi thọ lớn hơn so với relay tiếp điểm cơ khí Vì vậy MOC + Triac là phương án tối ưu

Tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm được nối đến ngõ vào của MOC3021, cách ly quang với phần công suất Ngõ vào của MOC3021 là một diode phát quang được mắc nối tiếp với một điện trở để hạn dòng và một led báo trạng thái bên ngoài

- Tính toán giá trị điện trở:

Ta có điện áp phân cực thuận cho diode phát quang là VF = 1.2V, dòng tối đa qua diode phát quang là IF = 15mA, áp rơi trên led báo khoảng 2.2V

Chọn giá trị điện trở 100Ω

Điện trở 1kΩ dùng để hạn dòng cho Diac, giá trị được chọn theo hướng dẫn của nhà sản xuất thiết bị Khi có tín hiệu điều khiển mở thiết bị từ khối xử trung tâm gửi đến, diode bên trong MOC3021 sẽ phát quang làm cho Diac được kích dẫn, nó sẽ cho dòng điện đi qua

và cấp dòng mồi cho Triac, Triac dẫn sẽ làm kín mạch điện Trong mạch công suất còn có cầu chì bảo vệ thiết bị

- Tính toán điện trở RP dùng để hạn dòng cho led báo trạng thái nguồn cung cấp tên

“Power”:

Điện áp ra từ nguồn xung là 5VDC Sử dụng led xanh lá cây nên điện áp rơi trên led khoảng 3V, dòng điện qua led khoảng 10mA