TỔNG QUAN
GIỚI THIỆU
Trong những năm qua, khoa học máy tính và xử lý thông tin đã có những bước tiến vượt bậc, đặc biệt là sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật số Sự phát triển này đã làm cho ngành điện tử trở nên phong phú và đa dạng hơn, góp phần quan trọng vào việc áp dụng kỹ thuật hiện đại trong mọi lĩnh vực sản xuất, kinh tế và đời sống xã hội Từ các hệ thống máy tính lớn đến máy tính cá nhân, kỹ thuật số đã ảnh hưởng đến việc điều khiển máy công nghiệp và các thiết bị phục vụ đời sống hàng ngày.
Công nghệ số đang tạo ra những bước tiến mạnh mẽ, với trí tuệ nhân tạo (AI) là một trong những xu hướng thu hút sự chú ý lớn từ các nhà phát triển gần đây Các trợ lý ảo như Siri và Cortana, được phát triển bởi các hãng điện thoại smartphone nổi tiếng, là những ví dụ tiêu biểu cho sự đột phá này Giờ đây, máy móc không chỉ thực hiện mệnh lệnh của con người mà còn có khả năng phản hồi thông minh, mở ra nhiều cơ hội mới trong việc tương tác giữa người và máy.
Các sản phẩm đồ chơi cho trẻ em hiện nay thường chỉ phục vụ mục đích giải trí, tuy nhiên, để mang lại giá trị tốt nhất cho trẻ nhỏ, cần phát triển những sản phẩm kết hợp giữa giải trí và học tập.
Dựa trên những cơ sở đã nêu và mong muốn ứng dụng công nghệ số vào thực tiễn, nhóm đã quyết định chọn đề tài “Xe điều khiển bằng giọng nói và hỗ trợ trẻ em học qua trò chơi trên điện thoại Android”.
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trên thị trường hiện nay, có nhiều sản phẩm công nghệ được phát triển nhằm chăm sóc sức khỏe, đặc biệt là các thiết bị theo dõi và cảnh báo sức khỏe cho người già, cũng như đồ chơi thông minh dành cho trẻ nhỏ Những sản phẩm này không chỉ giúp bảo vệ sức khỏe mà còn hỗ trợ sự phát triển toàn diện của trẻ em trong độ tuổi.
Trẻ em ở độ tuổi mầm non (từ 3 đến 6 tuổi) có những đặc điểm phát triển thể chất và vận động não bộ đặc thù, cùng với nhu cầu lớn về việc khám phá và mở rộng kiến thức về thế giới xung quanh Môi trường sống ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự hình thành nhân cách và tư duy của trẻ trong giai đoạn này Do đó, việc lựa chọn phương pháp nuôi dạy trẻ mầm non là rất quan trọng, và cha mẹ cần cân nhắc kỹ lưỡng.
Chọn không gian và đồ chơi phù hợp là rất quan trọng để kích thích trí não của trẻ Một ví dụ điển hình là chiếc xe đồ chơi, loại hình mà hầu hết trẻ em yêu thích Kết hợp với smartphone, thiết bị phổ biến hiện nay, chiếc xe đồ chơi này không chỉ mang lại niềm vui giải trí mà còn tương tác với trẻ thông qua các trò chơi giọng nói sử dụng ngôn ngữ Tiếng Việt Điều này giúp tăng cường sự sáng tạo và niềm thích thú của trẻ.
Mô hình xe nhỏ gọn không chỉ mang lại sự thích thú cho trẻ mà còn tạo sự thân thiện trong quá trình chơi Việc ứng dụng công nghệ nhận dạng và giao tiếp qua giọng nói giúp trò chơi trở nên sinh động hơn, từ đó kích thích sự chú ý và niềm vui của trẻ mà không cần quá nhiều sự hướng dẫn từ cha mẹ.
Mục đích nghiên cứu của đề tài này là phát triển phần mềm giúp điện thoại Android trở thành công cụ hỗ trợ giáo dục nhận thức cho trẻ em từ 3 đến 6 tuổi, dựa trên phương pháp "Học mà chơi, Chơi mà học" Phần mềm có khả năng kết nối Bluetooth để điều khiển xe và tương tác với trẻ qua các trò chơi bằng giọng nói Tiếng Việt Đề tài được xây dựng trên nền tảng lập trình Android Studio, kết hợp với Arduino, công nghệ nhận diện giọng nói, giao tiếp không dây Bluetooth, cảm biến khoảng cách HC-SR04 và shield điều khiển động cơ L293D.
ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Phần cứng và cách lập trình board Arduino uno r3
- Viết app andriod để phục vụ cho việc điều khiển xe và thực hiện tương tác với người sử dụng
- Module điều khiển động cơ L293-D
- Module cảm biến khoảng cách HC-SR04
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Khám phá phần cứng của Board Arduino và cách sử dụng phần mềm Arduino IDE để lập trình các chương trình điều khiển LED cơ bản, giúp người dùng làm quen với việc viết và nạp code Tiếp theo, tìm hiểu cách lập trình giao tiếp và nhận dữ liệu qua module HC-05, đồng thời xuất tín hiệu điều khiển ra module L293D.
Để làm quen với phần mềm lập trình Android Studio, bạn nên bắt đầu bằng việc viết các ứng dụng cơ bản như xuất chữ ra màn hình, bấm nút để hiển thị chuỗi ký tự, và tính tổng hai số Qua đó, bạn sẽ nắm rõ các file chương trình chính, file giao diện, file layout, cùng các bước cần thiết để phát triển một ứng dụng hoàn chỉnh Tiếp theo, bạn có thể nghiên cứu các kỹ thuật lập trình Android như giao tiếp Bluetooth, chuyển đổi giọng nói thành văn bản, và cách lưu trữ cũng như xuất file âm thanh và hình ảnh.
BỐ CỤC ĐỒ ÁN
Đồ án được trình bày bao gồm 5 chương:
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 5: Kết quả thực tế
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CÔNG NGHỆ NHẬN DẠNG GIỌNG NÓI
Trong các bộ phim khoa học viễn tưởng, tương tác giữa con người và thiết bị điện tử bằng giọng nói đã là một giấc mơ từ lâu, và giờ đây nó đang trở thành hiện thực Các smartphone và tablet hiện nay tích hợp tính năng điều khiển bằng giọng nói, với một số sản phẩm còn có khả năng phản hồi như một cuộc trò chuyện giữa hai người Công nghệ này đã tạo ra một xu hướng mới trong thị trường ứng dụng di động, đặc biệt là đối với những ứng dụng trước đây yêu cầu người dùng phải gõ và nhập liệu nhiều.
2.1.1 Vì sao lại là giọng nói?
Mặc dù có hàng trăm ứng dụng hỗ trợ người dùng tìm kiếm, viết email, ghi chú và đặt lịch hẹn trên smartphone, nhưng việc sử dụng bàn phím nhỏ trên điện thoại vẫn gây khó khăn cho nhiều người Dù tốc độ gõ có thể nhanh và chính xác, nhưng không ít người cảm thấy bực bội khi phải xóa và viết lại chỉ một chữ do nhấn nhầm phím.
Giọng nói hiện nay là giải pháp tối ưu cho việc nhập liệu và truyền tải thông tin Người dùng không chỉ sử dụng giọng nói của mình mà thiết bị cũng có khả năng đọc thông tin cần thiết Đặc biệt, phần mềm dựa trên giọng nói mang lại lợi ích to lớn cho người khiếm thị, giúp họ trải nghiệm công nghệ tương tự như người bình thường, xóa nhòa khoảng cách do khiếm khuyết giác quan.
Công nghệ giọng nói hiện nay vẫn đang trong giai đoạn phát triển và chưa thể thay thế hoàn toàn bàn phím ảo hoặc vật lý Tuy nhiên, chúng ta đang tiến gần hơn đến một kỷ nguyên hiện đại, với các ứng dụng giọng nói như Google Voice Input, Apple Siri và Microsoft Cortana ngày càng được hoàn thiện.
2.1.2 Một số ví dụ trong thế giới công nghệ: Đã có nhiều nghiên cứu về việc triển khai hoặc giới thiệu thành công những ứng dụng giọng nói Chúng có thể nhắc đến Ask.com, một dịch vụ cho phép người dùng hỏi và nhận câu trả lời, đã tích hợp công nghệ nhận dạng giọng nói do Nuance phát triển vào ứng dụng iOS và Android của mình Sự liên kết này cho phép người dùng hỏi, trả lời cũng nhƣ đăng tải các lời bình luận
Amazon đã cập nhật ứng dụng Kindle trên iOS để hỗ trợ tính năng VoiceOver, giúp người khiếm thị dễ dàng tiếp cận nội dung sách Tính năng này sẽ tự động đọc nội dung trên màn hình, mang lại trải nghiệm thuận tiện hơn cho người dùng Hiện có khoảng 1,8 triệu đầu sách e-book tương thích với VoiceOver Ngoài ra, Amazon cũng đã mua lại công ty IVONA Software, chuyên cung cấp giải pháp chuyển đổi từ chữ sang giọng nói cho sách điện tử.
Hình 2.1: Ứng dụng nhận dạng giọng nói Cortana của Microsoft
Siri, Google Voice và Cortana là những ứng dụng công nghệ tiên tiến được phát triển bởi các tập đoàn lớn, giúp người dùng tương tác một cách thông minh với thiết bị di động Những phần mềm này cho phép người dùng dễ dàng đặt câu hỏi, nhận câu trả lời, điều chỉnh cài đặt và khởi chạy ứng dụng Một ví dụ điển hình là việc đặt lịch hẹn hoặc báo thức, trước đây yêu cầu nhiều thao tác chạm, nhưng giờ đây chỉ cần ra lệnh bằng giọng nói.
6 là xong Mọi thao tác, từ việc ghi nội dung cho đến thiết lập giờ giấc, đều đƣợc thực hiện một cách tự động
Công nghệ giọng nói được áp dụng vào phần mềm thông qua một bộ máy giọng nói gồm hai phần chính Phần đầu tiên là trình tổng hợp giọng nói, hay còn gọi là Text to Speech (TTS), cho phép chuyển đổi văn bản thành âm thanh TTS được sử dụng để tương tác với người dùng, chẳng hạn như đọc văn bản trên màn hình hoặc thông báo về tiến độ thực hiện một tác vụ.
Công nghệ nhận dạng giọng nói cho phép ứng dụng hiểu và chuyển đổi lời nói của người dùng thành lệnh hoặc ký tự nhập liệu, thay thế cho bàn phím truyền thống Một ứng dụng lý tưởng sẽ tích hợp cả hai chức năng này, tuy nhiên, một số ứng dụng chỉ sử dụng một trong hai và nâng cấp dần sau đó Ví dụ, Siri, Google Voice và Cortana là những phần mềm tương tác giọng nói hoàn chỉnh, trong khi Facebook Messenger, Zalo và WhatsApp chỉ sử dụng giọng nói cho việc nhập liệu mà không cung cấp nhiều phản hồi.
Thoạt nhìn thì việc triển khai công nghệ nhận dạng giọng nói khá đơn giản, nhƣng thực chất thì không phải nhƣ thế
Các nhà phát triển cần tạo ra công nghệ có khả năng lắng nghe, phân tích và phiên dịch chính xác giọng nói của người dùng Nếu không, ứng dụng sẽ không thể hiểu được nội dung người dùng đang nói, và nếu độ chính xác không cao, hiệu quả sử dụng sẽ bị giảm sút.
Vấn đề bản địa hóa (localization) đang trở thành thách thức lớn cho các lập trình viên, khi mỗi quốc gia đều có ngôn ngữ riêng Điều quan trọng là làm thế nào để hỗ trợ nhiều ngôn ngữ nhất có thể Hiện nay, hầu hết các dịch vụ giọng nói chủ yếu chỉ hỗ trợ tiếng Anh, như Google Voice Input trên Android và Voice Dictation trên iOS.
Mặc dù có hỗ trợ tiếng Việt, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế trong việc sử dụng Hơn nữa, mỗi vùng miền lại có cách nói và giọng điệu khác nhau, mặc dù họ đều sử dụng chung một ngôn ngữ.
2.1.4 Các thƣ viện giọng nói phổ biến:
Nuance là một trong những tên tuổi hàng đầu trong việc cung cấp thư viện giọng nói cho ứng dụng di động Nhờ vào những thư viện này, lập trình viên có thể tiết kiệm thời gian, công sức và chi phí mà không cần phải thiết kế hệ thống nhận dạng và phiên dịch từ đầu Đặc biệt, Nuance hỗ trợ tiếng Việt thông qua ứng dụng Dragon Dictation do chính hãng phát triển.
OpenEars là một thư viện nguồn mở hoạt động offline, tuy nhiên chỉ hỗ trợ tiếng Anh và Tây Ban Nha Ngoài OpenEars, còn có một số tên tuổi khác như Ivona, iSpeech, Vocalkit và Acapela.
Nhiều phần mềm hiện nay tận dụng bộ nguồn nhận dạng có sẵn trên các hệ điều hành di động, cho phép người dùng kích hoạt tính năng này khi cần nhập văn bản Từ iOS 7 trở về trước, tính năng này chưa hỗ trợ tiếng Việt, nhưng đã được bổ sung từ iOS 8 Google cũng đã bắt đầu hỗ trợ nhập liệu tiếng Việt cho Android khoảng một năm trước Ngoài ra, Apple và Google cung cấp các hàm API giúp lập trình viên dễ dàng tích hợp chức năng nhận diện giọng nói chỉ với vài dòng mã nguồn.
ROBOT HỖ TRỢ TRẺ EM
Với sự phát triển nhanh chóng của các thuật toán lập trình và trí tuệ nhân tạo, robot có khả năng di chuyển từ xưởng, nhà máy đến trường học và gia đình, thậm chí có thể tham gia vào việc dạy dỗ và chăm sóc trẻ em trong tương lai gần.
Robot ngày nay không chỉ đơn thuần là thiết bị giải trí; nghiên cứu cho thấy robot xã hội đóng vai trò quan trọng trong phát triển cảm xúc, xã hội và nhận thức của trẻ Chúng có thể trở thành trợ lý đắc lực tại các trường mầm non, giúp trẻ nhận ra và giải quyết mâu thuẫn, hỗ trợ trẻ tự kỷ tương tác hiệu quả với người khác, và giúp trẻ học các kỹ năng toán, ngữ pháp và ngôn ngữ.
Trong gần 70 năm qua, trí thông minh nhân tạo và robot đã trở thành trợ thủ đắc lực cho con người trong nhiều lĩnh vực Các robot ngày càng được cải tiến, từ những cỗ máy thô kệch đến những khuôn mặt có khả năng biểu cảm, giúp chúng giống con người hơn Chúng hỗ trợ trong các công việc nặng nhọc, các nhiệm vụ yêu cầu kỹ năng cao, và thậm chí giúp con người cân bằng cảm xúc sau những cú sốc tinh thần.
8 mới và công nghệ công nghiệp (NEDO) Nhật Bản nhận định, robot hỗ trợ con người sẽ đƣợc ƣa chuộng nhiều hơn trong thời gian tới
Hỗ trợ giáo viên mầm non có thể là một trong những nhiệm vụ đầu tiên mà robot thân thiện với trẻ em đảm nhiệm
Trong một nghiên cứu về tương tác giữa robot và trẻ em, Solace Shen, nhà tâm lý học tại đại học Cornell, cùng các đồng nghiệp đã phân tích vai trò của robot đối với trẻ từ 3 đến 6 tuổi Shen cho biết rằng trong các lớp mẫu giáo, giáo viên thường không thể quản lý hết các mâu thuẫn giữa học sinh do số lượng mâu thuẫn cao, với từ 6 đến 9 vụ xảy ra mỗi giờ, chủ yếu vì trẻ ở độ tuổi này chưa phát triển khả năng chia sẻ.
Shen nhận thấy rằng robot có thể cải thiện tình huống xung đột trong lớp học bằng cách giúp trẻ hiểu rõ mâu thuẫn Khi robot nhận diện được vấn đề, chúng có khả năng áp dụng các kỹ năng giải quyết xung đột đã học để đưa ra giải pháp mà tất cả trẻ em đều cảm thấy hài lòng Trong môi trường mẫu giáo, robot sử dụng công nghệ nhận diện cảm xúc như phân tích giọng nói và nhận dạng biểu cảm khuôn mặt để phát hiện các tranh luận nhỏ, từ đó giúp giáo viên tập trung vào những xung đột lớn hơn Ngoài ra, robot còn được lập trình để thiết lập các chiến lược đàm phán nhằm giải quyết mâu thuẫn hiệu quả hơn, đồng thời nâng cao khả năng phát triển của trẻ.
Hình 2.2: Robot Pepper trong một lớp học
2.2.2 Hỗ trợ trẻ có nhu cầu đặc biệt:
Robot có thể cải thiện cả mặt xã hội lẫn cảm xúc cho trẻ em có nhu cầu đặc biệt, như trẻ mắc hội chứng tự kỷ hoặc hội chứng Đao Với những đặc tính hấp dẫn, robot đơn giản hơn và có khả năng dự đoán tốt hơn con người Chúng kiên nhẫn, nhất quán trong giọng nói và tâm trạng, đồng thời có khả năng tùy biến cao để thích ứng với nhu cầu cụ thể của từng trẻ.
Nghiên cứu cho thấy trẻ tự kỷ phản ứng tích cực với công nghệ như máy tính, điện thoại, máy tính bảng và robot Jason Borenstein, nhà nghiên cứu tại Georgia Tech, cho biết mặc dù trẻ tự kỷ thường khó giữ liên lạc bằng mắt, nhưng chúng có thể thực hiện điều này khi tương tác với robot, cho thấy khả năng kết nối nhanh hơn Các nhà nghiên cứu đã áp dụng robot để giao tiếp với trẻ có nhu cầu đặc biệt, khuyến khích nhiều hành vi như bắt đầu tương tác, bắt chước, học cách luân phiên, nhận diện cảm xúc và tập trung chú ý.
Nghiên cứu này sử dụng robot Kaspar, có kích thước tương đương với một đứa trẻ, nhằm giao tiếp với trẻ mắc chứng tự kỉ thông qua ngôn ngữ, cử chỉ dễ hiểu và biểu cảm khuôn mặt Kết quả cho thấy, sau khi tương tác với robot, trẻ em thể hiện sự hứng khởi trên khuôn mặt và cải thiện khả năng giao tiếp với giáo viên, thậm chí mời giáo viên tham gia vào trò chơi với Kaspar.
Hình 2.3: Robot Kaspar đang giao tiếp với trẻ
Robot Leka, được phát triển qua chiến dịch crowdfunding, được thiết kế đặc biệt cho trẻ em mắc chứng tự kỷ Với hình dáng nhỏ gọn như quả bóng, Leka trang bị biểu cảm khuôn mặt, ánh sáng và màu sắc sinh động cùng các trò chơi trốn tìm, giúp trẻ khuyết tật cảm thấy hứng thú và dễ dàng tham gia vào các hoạt động chơi.
Robot trong gia đình có khả năng nâng cao nhận thức của trẻ em bằng cách hỗ trợ giải quyết các bài toán và cải thiện kỹ năng đọc.
Theo Henny Admoni, nhà nghiên cứu robot tại Đại học Carnegie Mellon, robot có thể hỗ trợ trẻ em học ngôn ngữ hiệu quả hơn bằng cách tạo ra môi trường "đắm chìm" tại nhà, điều mà trẻ thường không trải nghiệm trong lớp học Ví dụ, robot Tega giúp trẻ nâng cao khả năng ngôn ngữ chính và mở rộng vốn từ vựng thông qua các hoạt động kể chuyện Hơn nữa, robot còn là người dạy kèm tuyệt vời, với sự kiên nhẫn vượt trội, có thể lặp đi lặp lại thông tin hàng triệu lần mà giáo viên hay phụ huynh khó có thể làm được.
Hình 2.5: Robot Tega đang giao tiếp với trẻ
Robot xã hội có thể đóng vai trò là "gia sư" cho trẻ em ở những khu vực khó tiếp cận, như bệnh viện Chúng giúp trẻ tiếp tục học tập và cung cấp hỗ trợ xã hội, tinh thần khi cha mẹ không có mặt.
HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID
Android là hệ điều hành dựa trên nền tảng Linux, được thiết kế 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 đó được Google mua lại vào năm 2005 Android chính thức ra mắt vào năm 2007 cùng với việc thành lập Liên minh thiết bị cầm tay mở, nhằm thúc đẩy các tiêu chuẩn mở cho thiết bị di động Chiếc điện thoại đầu tiên chạy Android đã được bán vào tháng 10 năm 2008.
Android là hệ điều hành mã nguồn mở được Google phát hành theo Giấy phép Apache, cho phép các nhà phát triển tự do điều chỉnh và phân phối Sự linh hoạt này đã thu hút một cộng đồng lập trình viên đông đảo, chuyên phát triển ứng dụng để mở rộng chức năng cho thiết bị Tính đến tháng 10 năm 2012, Android đã có khoảng 700.000 ứng dụng và ước tính có khoảng 25 tỷ lượt tải từ Google Play, cửa hàng ứng dụng chính của nền tảng này.
Hệ điều hành Android hiện đang chiếm hơn 80% thị trường thiết bị di động, dẫn đến nhu cầu sử dụng ứng dụng di động ngày càng tăng Sự phát triển này kéo theo nhu cầu việc làm trong lĩnh vực lập trình cho Android, một trong những hệ điều hành phổ biến nhất thế giới, nhờ vào tính mở và dễ tiếp cận của nó.
Thiết bị Android đang có tốc độ tăng trưởng nhanh chóng, vượt trội hơn bất kỳ nền tảng di động nào khác, điều này khiến Android trở thành lựa chọn hàng đầu cho phát triển ứng dụng di động Tuy nhiên, sự phân mảnh của hệ điều hành Android tạo ra nhiều thách thức cho việc thử nghiệm ứng dụng, khiến hầu hết các nhà phát triển khó có thể kiểm tra ứng dụng trên mọi thiết bị và phiên bản hệ điều hành Điều này đã dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp dịch vụ liên quan đến kiểm thử ứng dụng.
Hình 2.7: Logo một số phiên bản đầu tiên của Android
Các phiên bản hệ điều hành Android được phát hành theo thứ tự như 1.6, 2.1, 4.2, và nhiều phiên bản khác Mỗi bản phát hành cũng được đặt tên theo các món tráng miệng nổi tiếng như Donut, Eclair và Jelly Bean Khi nhắc đến Jelly Bean, người ta thường ám chỉ đến phiên bản Android 4.2.
Android API 17 tương ứng với phiên bản Android 4.2, hay còn gọi là Jelly Bean, được mô tả ở cấp độ API với số nguyên tăng dần theo trình tự.
2.3.2 Công cụ lập trình cho Android:
Cộng đồng lập trình viên và người đam mê Android rất năng động, họ phát triển và phân phối các phiên bản chỉnh sửa của hệ điều hành này Những bản Android do cộng đồng phát triển thường cập nhật tính năng mới nhanh hơn so với các kênh chính thức, mặc dù không được kiểm thử kỹ lưỡng và thiếu đảm bảo chất lượng Chúng cung cấp hỗ trợ cho các thiết bị cũ không còn nhận cập nhật chính thức và có thể đưa Android vào những thiết bị ban đầu chạy hệ điều hành khác Các bản Android của cộng đồng thường yêu cầu người dùng có kiến thức kỹ thuật, như việc ép xung hoặc điều chỉnh áp bộ xử lý CyanogenMod là firmware phổ biến nhất trong cộng đồng này, hoạt động như một tổ chức của số đông.
Về kiến trúc của hệ điều hành Android, chúng ta có thể xem qua sơ đồ sau:
Hình 2.8: Kiến trúc của hệ điều hành Android
Thoạt nhìn có vẻ rối rắm, nhƣng chỉ cần để ý đến từng tầng màu sắc của kiến trúc này nhƣ sau :
Tầng Applications là nơi lưu trữ các ứng dụng như Danh bạ, Gọi điện, Trình duyệt, và Nghe nhạc, những ứng dụng này thường được cài đặt sẵn khi mua máy.
Tầng Framework là phần chứa các API cho phép tương tác với hệ điều hành, bao gồm việc truy cập thông tin danh bạ, quản lý các Activity, địa điểm và các View.
The Libraries layer is essential to Android, housing key components such as libraries and APIs This layer includes the Surface Manager for touch screen management and OpenGL, which facilitates the rendering of complex graphics.
Tầng Android Runtime: Chứa các thƣ viện lõi của Android và máy ảo Dalvik Virtual Machine (từ Android 4 trở lên chúng ta có thêm máy ảo ART).
Tầng Kernel: Là nhân lõi của hệ điều hành, chứa các tập lệnh, driver giao tiếp giữa phần cứng và phần mềm của Android.
Trong quá trình lập trình, chúng ta chủ yếu làm việc với tầng ứng dụng (Applications và Application Framework) và thư viện (Libraries) Các chương trình Android được phát triển bằng ngôn ngữ Java và được biên dịch thành mã máy bởi máy ảo DVM/ART trên từng thiết bị Android.
Việc phát triển ứng dụng Android có thể thực hiện trên các hệ điều hành như Mac, Windows PC hoặc Linux Tuy nhiên, để kiểm tra ứng dụng hiệu quả, bạn sẽ cần một thiết bị Android thực tế, mặc dù có thể sử dụng emulator như Genymotion trong quá trình phát triển Dưới đây là danh sách ngắn các công cụ quan trọng mà bạn cần biết để trở thành một nhà phát triển Android.
Ngôn ngữ lập trình Java là kiến thức cơ bản cần thiết để phát triển ứng dụng Android Để trở thành lập trình viên Android thành công, bạn cần nắm vững các khái niệm trong Java như vòng lặp, danh sách, biến và cấu trúc điều khiển Java hiện là một trong những ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất trong cộng đồng phát triển phần mềm.
15 hiện nay, vì vậy việc thông thạo nó sẽ giúp bạn hoàn thành tốt công việc, thậm chí vƣợt ra ngoài nền tảng Android
Để tổ chức cơ sở dữ liệu trong ứng dụng Android, bạn cần nắm vững kiến thức cơ bản về SQL, ngôn ngữ dùng để thực hiện các truy vấn thông tin Khi bạn thành thạo viết SQL, bạn sẽ có khả năng truy vấn mọi câu hỏi liên quan đến dữ liệu của mình.
Android Software Development Kit (SDK) và Android Studio
Phát triển ứng dụng cho Android trở nên dễ dàng nhờ vào các công cụ miễn phí như Android SDK và Android Studio, IDE chính thức cho lập trình Android Android Studio cho phép các nhà phát triển viết mã và tích hợp ứng dụng từ các thư viện khác nhau, trong khi Android SDK cung cấp mã ví dụ, thư viện phần mềm và công cụ lập trình hữu ích để xây dựng, kiểm thử và gỡ lỗi ứng dụng Quy trình gửi ứng dụng lên Google Play cũng rất đơn giản; sau khi đăng ký tài khoản Google Play publisher với phí $25, bạn chỉ cần tuân theo danh sách kiểm tra khởi động của Android, gửi ứng dụng qua Google Play Developer Console và chờ phê duyệt từ Google để ứng dụng xuất hiện trên chợ.
GIAO TIẾP KHÔNG DÂY BLUETOOTH
Bluetooth là một tiêu chuẩn công nghiệp cho việc truyền thông không dây sử dụng sóng radio tầm gần, cho phép các thiết bị điện tử giao tiếp với nhau Công nghệ này hỗ trợ truyền dữ liệu ở khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tạo ra các mạng cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network - PANs).
Hình 2.9: Logo giao tiếp không giây Bluetooth
Bluetooth cho phép truyền tải dữ liệu trong khoảng cách từ 5m đến 100m, tùy thuộc vào loại thiết bị Tuy nhiên, với hầu hết các thiết bị dân dụng, phạm vi này thường chỉ đạt vài chục mét Khác với kết nối hồng ngoại (IrDA), Bluetooth là kết nối vô hướng và hoạt động trên tần số 2,4 GHz Tên gọi "Bluetooth" xuất phát từ vua Harald Bluetooth, một vị vua Đan Mạch.
Hiện nay, Bluetooth được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị như điện thoại, máy tính bảng, laptop, tai nghe, loa, chuột, bàn phím, thiết bị GPS, thiết bị y tế, máy quét mã vạch và các thiết bị điều khiển giao thông Công nghệ này cho phép kết nối và trao đổi thông tin giữa các thiết bị như điện thoại di động, máy tính để bàn, máy in và máy ảnh số Sự phát triển của Bluetooth đã chứng tỏ vai trò quan trọng của nó trong cuộc sống hiện đại Để kết nối hai thiết bị Bluetooth, người dùng cần thực hiện thao tác "pair" (kết đôi) chúng với nhau.
Ví dụ, bạn có thể ghép chuột Bluetooth và máy tính, tai nghe với điện thoại hay điện thoại với laptop
Các ứng dụng nổi bật của Bluetooth gồm:
Điều khiển và giao tiếp không giây giữa một điện thoạidi động và tai nghe không dây
Mạng không dây giữa các máy tính cá nhân trong một không gian hẹp đòi hỏi ít băng thông
Giao tiếp không dây với các thiết bị vào ra của máy tính, chẳng hạn nhƣ chuột, bàn phím và máy in
Thay thế các kết nối nối tiếp truyền thống giữa các thiết bị như thiết bị đo, thiết bị định vị, thiết bị y tế, máy quét mã vạch và các thiết bị điều khiển giao thông bằng công nghệ hiện đại giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy trong giao tiếp.
Thay thế các điều khiển dùng tia hồng ngoại
Gửi các mẩu quảng cáo nhỏ từ các pa-nô quảng cáo tới các thiết bị dùng Bluetooth khác
Điều khiển từ xa cho các thiết bị trò chơi điện tử
Kết nối Internet cho máy tính bằng cách dùngđiện thoại di động thay modem
Mặc dù Bluetooth và Wifi hoạt động trên cùng một tần số, nhưng chúng không xung đột do Bluetooth sử dụng bước sóng ngắn hơn Bluetooth là một chuẩn điện tử, yêu cầu các nhà sản xuất phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo thiết bị có thể nhận diện và tương tác hiệu quả khi sử dụng công nghệ này.
Các chuẩn kết nối Bluetooth:
Chuẩn 1.0: Tốc độ xấp xỉ 1Mbps nhưng gặp nhiều vấn đề về tính tương thích
Bluetooth 1.1: Phiên bản sửa lỗi của 1.0 nhƣng không thay đổi tốc độ
Bluetooth 1.2: Thời gian dò tìm và kết nối nhanh hơn giữa các thiết bị, tốc độ truyền tải nhanh hơn so với chuẩn 1.1
Bluetooth 2.0 +ERD (tốc độ dữ liệu nâng cao) được giới thiệu vào tháng 7 năm 2007, mang đến sự ổn định vượt trội và tốc độ chia sẻ nhanh hơn Chuẩn công nghệ này cũng giúp tiết kiệm năng lượng trong quá trình sử dụng.
Bluetooth 2.1 +ERD: Bên cạnh những ƣu điểm của bản 2.0, Bluetooth 2.1 còn có thêm cơ chế kết nối phạm vi nhỏ
Bluetooth 3.0 + HS (High Speed) được giới thiệu vào ngày 21/4/2009, với tốc độ lý thuyết lên đến 24Mbps Tuy nhiên, các thiết bị hỗ trợ Bluetooth 3.0 mà không có +HS sẽ không đạt được tốc độ này Mặc dù có tốc độ cao, Bluetooth 3.0 vẫn chủ yếu phục vụ nhu cầu chia sẻ nhanh các file có dung lượng nhỏ hoặc kết nối với loa, tai nghe.
Chuẩn Bluetooth 4.0, được cập nhật vào ngày 30/6/2010, là sự kết hợp giữa Bluetooth cổ điển (2.1 và 3.0), Bluetooth tốc độ cao (3.0+ HS) và Bluetooth tiết kiệm năng lượng (Bluetooth smart) Phiên bản mới này mang đến cách thức hoạt động hoàn toàn mới, cho phép kết nối đơn giản và nhanh chóng, đồng thời hỗ trợ truyền tải dữ liệu nhanh hơn và tiết kiệm pin hơn.
Bluetooth 4.1: Là phiên bản mới nhất ra đời đầu năm 2014 với nhiều cải tiến vƣợt bậc so với Bluetooth 4.0 nhƣ:
Bluetooth 4.1 cải thiện khả năng chống chéo tín hiệu so với Bluetooth 4.0 và mạng 4G Công nghệ này tự động nhận diện và điều chỉnh băng tần, tối ưu hóa hiệu suất kết nối của nó.
Bluetooth 4.1 mang đến khả năng kết nối thông minh, cho phép các nhà sản xuất tối ưu hóa thời gian kết nối lại sau thời gian chờ, từ đó cải thiện quản lý năng lượng cho thiết bị Nhờ vào tính năng này, các thiết bị kết hợp có thể tự động điều chỉnh mức năng lượng phù hợp, nâng cao hiệu suất sử dụng.
Khả năng truyền dữ liệu: Các thiết bị Bluetooth 4.1 có thể giao tiếp một cách độc lập mà không cần phải phụ thuộc vào trung tâm điều khiển
Chuẩn Bluetooth 5.0 mang đến nhiều cải tiến vượt trội, đặc biệt là phạm vi kết nối rộng gấp bốn lần so với các chuẩn 4.x Tốc độ truyền dữ liệu cũng tăng gấp đôi, đạt tối đa 2Mbps so với 1Mbps của Bluetooth 4.x Bên cạnh đó, chuẩn mới này sử dụng năng lượng hiệu quả hơn, tiết kiệm đến 2.5 lần so với các phiên bản cũ.
THIẾT KẾ
GIỚI THIỆU
Đề tài “Xe điều khiển bằng giọng nói và hỗ trợ trẻ em học qua trò chơi trên điện thoại Android” sẽ có những yêu cầu sau:
Điều khiểnxe bằng điện thoại Android
Giúp trẻ vừa học vừa chơi trên ứng dụng đƣợc cài trên điện thoại
Chương này cần thực hiện các công việc thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý toàn mạch để đáp ứng yêu cầu của đề tài.
THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI
Dự án thiết kế "Xe điều khiển bằng giọng nói và hỗ trợ trẻ em học qua trò chơi trên điện thoại Android" được xây dựng với sơ đồ khối cụ thể.
Hình 3.1: Sơ đồ khối của đề tài
Khối nguồn: Có chức năng cấp nguồn cho toàn mạch hoạt động
Khối xử lý trung tâm: Có chức năng nhận vào và xử lý các tín hiệu từ
Module Bluetooth, cảm biến khoảng cách Sau đó truyền các tín hiệu điều khiển ra khối điều khiển động cơ để làm cho động cơ hoạt động
Khối Truyền/Nhận dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối khối xử lý trung tâm với điện thoại, cho phép nhận dữ liệu điều khiển qua đường truyền không dây.
Khối Cảm Biến: Có chức năng cung cấp cho hệ thống khả năng đọc khoảng cách tới vật cản
Khối điều khiển động cơ giúp xử lý dễ dàng các thao tác điều khiển độc lập cho nhiều motor, đồng thời cho phép khối xử lý trung tâm quản lý nhiều động cơ với công suất lớn hơn.
Khối động cơ:Bao gồm các motor đảm nhiệm công việc giúp xe di chuyển
Khối ứng dụng Điện thoại di động bao gồm một chiếc Smartphone được trang bị hệ điều hành Android, cho phép kết nối Bluetooth Đây là môi trường lý tưởng để cài đặt và duy trì hoạt động của các ứng dụng đã được thiết kế.
Khối nhận dạng giọng nói: Là một máy chủ có thể xử lý giọng nói con người.
Thiết kế các khối
Bao gồm 2 motor đảm nhiệm công việc giúp xe di chuyển
Để vận hành xe với công suất nhỏ và tốc độ chậm, động cơ DC là lựa chọn phù hợp Động cơ DC có ưu điểm là phổ biến, giá thành hợp lý và dễ dàng lập trình điều khiển, trong đó loại động cơ DC 130 được khuyến nghị.
Hình 3.2: Một số hình ảnh về động cơ DC
Dòng điện tiêu thụ: 110 – 140 mA
Số vòng/phút: 50 vòng/phút tại 3V, 83 vòng/phút tại 5V
3.3.1 Khối điều khiển động cơ:
Chức năng này giúp Arduino dễ dàng xử lý các thao tác điều khiển độc lập nhiều motor, đồng thời cho phép điều khiển các động cơ với công suất lớn hơn.
Để điều khiển các động cơ DC 12V và đảo chiều quay cho xe chạy, giải pháp hiệu quả là sử dụng các module mạch cầu.
H để điều khiển Trên thị trường hiện nay thì có rất nhiều các mạch điều khiển động cơ
Mạch điều khiển động cơ L293D là một giải pháp lý tưởng để giao tiếp với board Arduino Uno R3 và điều khiển đồng thời 2 động cơ DC Module này không chỉ phổ biến mà còn dễ dàng mua trên thị trường với giá thành hợp lý, chỉ từ khoảng 80 ngàn VNĐ.
3.3.1.1 Các linh kiện và thông số:
Khảo sát Mạch điều khiển động cơ L293D (hay còn có tên Motor Driver Shield L293D):
Arduino Motor Shield là một board mở rộng cho các board Arduino, cho phép điều khiển động cơ DC, động cơ bước và động cơ servo, tương thích với Arduino Uno R3, Arduino Leonardo và Arduino Mega 2560 Motor Driver Shield L293D sử dụng 2 IC cầu H L293D và 1 IC logic 74HC595 để điều khiển, cho phép kiểm soát nhiều loại động cơ khác nhau với mức điện áp lên đến 36V và dòng tối đa 600mA mỗi kênh.
Kết hợp Motor Driver Shield L293D với Board Arduino Uno R3 bằng cách cắm trực tiếp thông qua các rào đã đƣợc thiết kế sẵn
Hình 3.4: Motor Driver Shield L293D đƣợc cắm trực tiếp vào board Arduino Các thành phần Motor DriverShield L293D có thể điều khiển:
Hình 3.5:Các chân kết nối với động cơ trên Motor Driver Shield L293D
Jack cắm điều khiển 2 động cơ RC servo
Ngõ ra điều khiển đến 4 động cơ DC độc lập
Động cơ step motor loại đơn cực (unipolar) hoặc lƣỡng cực (bipolar)
Motor driver shield L293D được trang bị các điện trở nối GND để ngăn chặn tình trạng motor tự quay khi khởi động Ngoài ra, nó còn có nút RESET giúp khởi động lại board Arduino mà nó kết nối.
Các chân trênMotor Driver Shield được kết nối với board Arduino:
Dây điều khiển 2 servo kết nối với chân số 9 và 10 Nguồn nuôi lấy trực tiếp từ board Arduino (nguồn 5V)
Chân 4, 7, 8, 12 dùng điều khiển motor thông qua IC 74HC595 Các chân chƣa sử dụng: 2, 13, A0, A1, A2, A3, A4, A5
Trên shield có jumper màu vàng PWR, cho phép cấp nguồn cho board Arduino Khi kết nối nguồn ngoài qua jack DC, như pin 9V, nguồn nuôi motor sẽ được lấy từ jack này mà không cần nối với EXT_PWR Nếu ngắt jumper, bạn cần sử dụng nguồn riêng cho terminal EXT_PWR để nuôi motor.
Nguyên lý của mạch cầu H dùng Transistor trên Motor Driver Shield:
Mạch cầu H sử dụng transistor BJT là lựa chọn phổ biến cho việc điều khiển động cơ công suất thấp nhờ vào giá thành rẻ, dễ tìm mua và dễ sử dụng So với các loại MOSFET, transistor BJT thường có công suất thấp hơn, nhưng vẫn đáp ứng tốt nhu cầu điều khiển trong nhiều ứng dụng.
Hình 3.6:Sơ đồ tổng quát của một mạch cầu H sử dụng transistor BJT
Trong sơ đồ, A và B là hai cực điều khiển, trong khi bốn diode có nhiệm vụ triệt tiêu dòng điện cảm ứng phát sinh trong quá trình hoạt động của động cơ Nếu không có diode bảo vệ, dòng điện cảm ứng có thể gây hư hỏng cho các transistor Thông thường, transistor BJT được sử dụng là loại có công suất lớn và hệ số khếch đại cao.
A và B là hai cực điều khiển được kết nối nối tiếp với hai điện trở hạn dòng Giá trị của các điện trở này phụ thuộc vào loại transistor sử dụng Cần lưu ý rằng dòng điện qua cực Base của transistor không được vượt quá mức cho phép để tránh hư hỏng Thông thường, điện trở 1k Ohm là lựa chọn phổ biến.
Ta điều khiển 2 cực này bằng cách mức tín hiệu HIGH, LOW tương ứng là 12V và 0V
Transistor BJT loại NPN mở hoàn toàn khi điện áp ở cực Base bằng điện áp ở cực Collector, trong mạch đang xét hiện tại là 12V
Transistor BJT loại PNP mở hoàn toàn khi điện áp ở cực Base bằng 0V
Với 2 cực điều khiển và 2 mức tín hiệu HIGH/LOW tương ứng 12V/0V cho mỗi cực, có 4 trường hợp xảy ra như sau:
Khi A ở mức thấp và B ở mức cao, transistor Q1 được kích hoạt trong khi Q3 ngừng hoạt động Đồng thời, transistor Q2 ngừng hoạt động và Q4 được kích hoạt Nhờ đó, dòng điện có thể di chuyển từ nguồn 12V qua Q1, đi qua động cơ và trở về qua Q4.
GND Lúc này, động cơ quay theo chiều thuận Để ý các cực (+) và (-) của động cơ là sẽ thấy
Hình 3.7:Dòng điện trong động cơ quay theo chiều thuận
Khi A ở mức HIGH và B ở mức LOW, transistor Q1 sẽ đóng và Q3 sẽ mở, trong khi Q2 mở và Q4 đóng Điều này cho phép dòng điện từ nguồn 12V chảy qua Q2, đi qua động cơ và trở về GND qua Q3, khiến động cơ quay theo chiều ngược.
Hình 3.8:Dòng điện trong động cơ quay theo chiều nghịch
Khi transistor Q1 và Q2 được mở, thì Q3 và Q4 sẽ đóng lại, dẫn đến việc dòng điện không thể trở về GND Kết quả là không có dòng điện chạy qua động cơ, khiến cho động cơ không hoạt động.
Khi transistor Q1 và Q2 đóng, trong khi Q3 và Q4 mở, dòng điện không thể chạy từ nguồn 12V ra, dẫn đến việc không có dòng điện qua động cơ và động cơ không hoạt động.
Nhƣ vậy, để dừng động cơ, điện áp ở 2 cực điều khiển phải bằng nhau
Hình 3.9: Mạch nguyên lý module L293D
3.3.2 Khối truyền nhận dữ liệu:
Chức năng của hệ thống là thực hiện giao tiếp truyền/nhận dữ liệu giữa khối xử lý trung tâm và điện thoại qua đường truyền không dây Các chuẩn truyền không dây phổ biến hiện nay bao gồm hồng ngoại, wifi, NFC, Miracast và Bluetooth Tuy nhiên, với yêu cầu truyền trong khoảng cách vài chục mét và trong môi trường có vật cản, công nghệ hồng ngoại và NFC không đáp ứng được Do đó, Bluetooth là lựa chọn tối ưu vì nó đáp ứng yêu cầu về tốc độ và khoảng cách truyền tín hiệu, đồng thời tiết kiệm chi phí hơn so với wifi hay Miracast Trên thị trường hiện nay có nhiều lựa chọn cho giao thức Bluetooth như mạch thu phát Bluetooth 4.0 SoC NRF, thu phát Bluetooth 4.0 UART HM-10, và USB Dongle RF Bluetooth 4.0 Trong số đó, Module Bluetooth HC-05 là lựa chọn hợp lý nhờ vào giá thành hợp lý (dưới 100 ngàn) và độ thông dụng cao, mặc dù kích thước lớn hơn và kém tiết kiệm năng lượng hơn.
3.3.2.1 Các linh kiện và thông số:
Khảo sát Module Bluetooth HC-05:
SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH
Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
3.4.2 Mạch nguyên lý mô phỏng:
Hình 3.21: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng 3D
