TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Trong bối cảnh xã hội ngày nay phát triển mạnh mẽ và nhu cầu trao đổi thông tin giải trí ngày càng cao, công nghệ không dây đã ra đời như một giải pháp tối ưu, đặc biệt trong những khu vực chật hẹp và xa xôi Kỹ thuật không dây đáp ứng đa dạng nhu cầu từ làm việc, học tập đến giải trí như chơi game, xem phim và nghe nhạc Các chuẩn kỹ thuật không dây như IrDA, WLAN (802.11), ZigBee, OpenAir, UWB và Bluetooth đã được phát triển để phù hợp với từng mục đích sử dụng Trong số đó, Bluetooth nổi bật với nhiều ưu điểm cho thiết bị di động, nhờ vào sự hỗ trợ từ các tổ chức nghiên cứu và nhà sản xuất Bluetooth đang ngày càng phổ biến và dự kiến sẽ trở thành tiêu chuẩn cho mọi thiết bị điện tử trong tương lai.
Trong những năm gần đây, công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây, đặc biệt là Bluetooth, đã phát triển mạnh mẽ, góp phần vào việc xây dựng các hệ thống điều khiển và giám sát từ xa Mặc dù thị trường Việt Nam hiện có ít sản phẩm điều khiển không dây, chủ yếu là hàng nhập khẩu với giá cao, việc nghiên cứu và thiết kế bộ sản phẩm điều khiển thiết bị không dây trong nước sẽ tạo thêm sự lựa chọn cho người tiêu dùng và giảm chi phí Do đó, chúng tôi quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị dân dụng thông qua phần mềm Android”, ứng dụng công nghệ tiên tiến nhằm phát triển các hệ thống điều khiển thông minh.
Bluetooth ngày càng trở nên phổ biến trên nhiều thiết bị, đặc biệt là với tính năng điều khiển qua hệ điều hành Android Điều này không chỉ giúp người dùng tận dụng những thiết bị Android sẵn có, mà còn góp phần giảm giá thành sản phẩm Hơn nữa, màn hình lớn của điện thoại Android cho phép hiển thị nhiều thông tin hơn, mang lại trải nghiệm người dùng tốt hơn.
Mục tiêu của đề tài
Hệ thống điều khiển thiết bị công suất được thiết kế và thi công với bộ điều khiển sử dụng ứng dụng BlueControl trên hệ điều hành Android Hệ thống cho phép người dùng điều khiển thiết bị thông qua công nghệ Bluetooth hoặc sử dụng nút nhấn trên bộ điều khiển Các yêu cầu cụ thể đối với hệ thống cũng được xác định để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Bộ điều khiển được thiết kế với kiểu dáng đơn giản, gọn nhẹ và thẩm mỹ, giúp người dùng dễ dàng trong việc sửa chữa và thay thế linh kiện khi gặp sự cố trong quá trình sử dụng.
Phần mềm điều khiển trên hệ điều hành Android sở hữu giao diện đẹp, trực quan và thân thiện với người dùng Nó cho phép tùy chỉnh theo nhu cầu của người sử dụng và hỗ trợ nhiều thiết bị chạy trên nền tảng Android từ phiên bản V4.1 trở lên.
- Có khả năng hoạt động ổn định trong thực tế;
Hệ thống có khả năng mở rộng linh hoạt, cho phép người dùng dễ dàng tăng số lượng thiết bị điều khiển mà không cần đến sự hỗ trợ từ nhân viên kỹ thuật.
- Tối ưu hóa các quy trình thiết kế thi công để giảm giá thành.
Giới hạn đề tài
Hiện nay, thị trường có nhiều sản phẩm điều khiển thiết bị bằng hệ điều hành Android, bao gồm điện thoại và các thiết bị di động khác Mỗi sản phẩm được thiết kế với những đặc điểm và tính năng riêng biệt phù hợp với mục đích sử dụng Chúng tôi tập trung phát triển sản phẩm với những tính năng cơ bản nhất để điều khiển thiết bị qua hệ điều hành Android.
- Bộ điều khiển thiết bị công suất với 5 ngõ ra cố định, công suất mỗi ngõ ra 1000W, điện áp ngõ ra 220VAC;
- Cho phép thay đổi trạng thái các ngõ ra trực tiếp bằng nút nhấn có trên bộ điều khiển;
- Có đèn báo trạng thái nguồn, trạng thái kết nối với điện thoại điều khiển và trạng thái hoạt động của các thiết bị;
Phần mềm điều khiển giúp cập nhật trạng thái thiết bị liên tục, ghi lại lịch sử tắt mở thiết bị để dễ dàng xem lại, đồng thời cho phép người dùng hẹn giờ mở tắt các thiết bị một cách thuận tiện.
- Chỉ hoạt động trên các thiết bị chạy hệ điều hành Android 4.1 trở lên, không hỗ trợ các hệ điều hành khác như IOS, Blackbery OS, Window Phone, Symbian,….
- Một số tính năng chưa có của bộ sản phẩm:
- Không hỗ trợ camera giám sát;
- Không hỗ trợ điều khiển qua Internet;
- Không hỗ trợ nâng công suất ngõ ra;
- Không hỗ trợ tùy chỉnh ngôn ngữ.
Sau khi nghiên cứu đề tài và kết hợp với những kiến thức đã có cũng như thông tin từ các đồ án trước, chúng tôi đã xác định các đối tượng cần nghiên cứu.
Công nghệ Bluetooth là một phương thức truyền dữ liệu không dây, cho phép kết nối giữa các thiết bị trong khoảng cách ngắn Đặc điểm nổi bật của Bluetooth bao gồm khả năng tiết kiệm năng lượng, tốc độ truyền tải cao và tính bảo mật Liên kết vật lý trong Bluetooth sử dụng sóng radio tần số 2.4 GHz để thiết lập kết nối giữa các thiết bị Công nghệ này hỗ trợ nhiều chế độ kết nối, như kết nối điểm-điểm và kết nối đa điểm, giúp người dùng dễ dàng chia sẻ dữ liệu Cách thức hoạt động của Bluetooth dựa trên việc thiết lập một kênh truyền thông tạm thời giữa các thiết bị, cho phép truyền tải thông tin một cách hiệu quả và nhanh chóng.
Hệ điều hành Android có kiến trúc đặc trưng với chu kỳ sống của các ứng dụng được quản lý chặt chẽ, giúp tối ưu hóa hiệu suất và trải nghiệm người dùng Để phát triển ứng dụng trên nền tảng này, phần mềm hỗ trợ lập trình Eclipse là công cụ hữu ích, cho phép lập trình viên sử dụng ngôn ngữ lập trình Java để xây dựng và triển khai các ứng dụng hiệu quả.
- Module Bluetooth HC-06: các thông số kỹ thuật, nguyên lý hoạt động của module HC-06;
Vi điều khiển PIC18F4620 nổi bật với các thông số kỹ thuật phù hợp, đáp ứng yêu cầu của đề tài Sự hỗ trợ phần cứng mạnh mẽ của vi điều khiển này giúp lập trình code điều khiển một cách hiệu quả.
- Module RTC DS1307: các thông số kỹ thuật của module; nguyên lý hoạt động, các thanh ghi của DS1307.
Do hạn chế về môi trường nghiên cứu, chúng tôi không thể thực hiện công việc trong các phòng LAB được trang bị đầy đủ thiết bị hỗ trợ Vì vậy, phương pháp nghiên cứu chính mà chúng tôi áp dụng là
- Tham khảo tài liệu: các đồ án liên quan đến đề tài mà các khóa trước đã thực hiện, tìm kiếm thông tin trên Internet;
Thực hiện thí nghiệm trực tiếp trên các bộ kit phát triển có sẵn giúp kiểm tra phần cứng và phần mềm, từ đó điều chỉnh các thông số để phù hợp với điều kiện thực tế.
Trong bối cảnh điện tử đang phát triển nhanh chóng, đặc biệt với sự bùng nổ của smartphone chạy hệ điều hành Android, việc nghiên cứu Android và lập trình di động trở nên vô cùng quan trọng đối với sinh viên ngành Điện – Điện tử Điều này cho phép thiết kế sản phẩm kết hợp giữa thiết bị Android và các mạch điện tử cơ bản, tạo ra hệ thống thông minh Sản phẩm cuối cùng của dự án không chỉ là sự kết hợp giữa thiết bị Android và mạch điện tử mà còn có tính ứng dụng cao, đặc biệt trong phát triển hệ thống điều khiển không dây, mở ra hướng đi mới cho sự phát triển của các hệ thống điều khiển thông minh.
Bạn có thể điều khiển các thiết bị điện trong nhà từ xa mà không cần phải di chuyển đến công tắc Điều này rất tiện lợi, đặc biệt khi bạn trở về nhà vào buổi tối, cho phép bạn bật đèn trước khi vào nhà.
- Tăng tính thẩm mỹ đối với các ngôi nhà thông minh, không cần đặt các công tắc điều khiển khắp nhà, gây nguy hiểm khi nhà có trẻ em;
- Bảo vệ an toàn cho người sử dụng, có thể điều khiển các thiết bị điện công suất lớn từ xa;
- Hẹn giờ để tự động bật tắt thiết bị;
- Hạn chế sử dụng các đường dây kết nối phức tạp để điều khiển các thiết bị công suất gia dụng;
Các hệ thống trang trại chăn nuôi và vườn ươm hoa, cây giống sử dụng công nghệ điều khiển từ xa để cải thiện điều kiện môi trường Chúng cho phép bật đèn ở những khu vực thiếu sáng và quạt thông gió cho những khu vực có nhiệt độ cao, giúp giảm thiểu số lượng công tắc điều khiển Điều này mang lại sự linh hoạt trong việc chỉ sử dụng các thiết bị cần thiết, tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của trang trại.
1.7 Bố cục của đồ án
Phần còn lại của đồ án có nội dung như sau:
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này giới thiệu tổng quan về công nghệ Bluetooth, bao gồm khái niệm, đặc điểm, chế độ kết nối, kỹ thuật truyền dữ liệu và cách thức hoạt động Ngoài ra, bài viết cũng trình bày các thông số và ý nghĩa của các linh kiện chính trong thiết kế bộ điều khiển, như vi điều khiển PIC18F4620, IC Real-Time DS1307 và module Bluetooth HC-06 Cuối cùng, chương sẽ cung cấp kiến thức cơ bản về hệ điều hành Android, hỗ trợ cho việc lập trình phần mềm điều khiển trên điện thoại ở chương sau.
- Chương 3: Thiết kế hệ thống
Chương này sẽ giới thiệu sơ đồ khối của bộ điều khiển và phân tích các phương án thực hiện, từ đó lựa chọn phương án tối ưu nhất Đồng thời, chương cũng nêu rõ các yêu cầu đối với phần mềm điều khiển trên điện thoại, tạo nền tảng cho việc phát triển ứng dụng di động Bên cạnh đó, chương sẽ trình bày các yêu cầu liên quan đến phần mềm điều khiển của vi điều khiển và lưu đồ hoạt động của chương trình.
- Chương 4: Kết quả vả hướng phát triển
Chương này sẽ trình bày các kết quả đạt được từ đề tài, bao gồm hình ảnh sản phẩm như bộ điều khiển và ứng dụng trên điện thoại Bên cạnh đó, chúng tôi sẽ trình bày các kết quả điều khiển của sản phẩm, đưa ra những kết luận sau khi hoàn thành sản phẩm, cùng với các hướng phát triển trong tương lai nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm.
Phương pháp nghiên cứu
Do hạn chế về môi trường nghiên cứu, chúng tôi không có điều kiện làm việc trong các phòng LAB được trang bị nhiều thiết bị hỗ trợ, vì vậy phương pháp nghiên cứu chủ yếu của chúng tôi là
- Tham khảo tài liệu: các đồ án liên quan đến đề tài mà các khóa trước đã thực hiện, tìm kiếm thông tin trên Internet;
Thực hiện các thí nghiệm trực tiếp trên các bộ kit phát triển hiện có để kiểm tra hiệu suất của phần cứng và phần mềm, sau đó điều chỉnh các thông số cho phù hợp với điều kiện thực tế.
Ý nghĩa thực tiễn
Trong bối cảnh điện tử phát triển nhanh chóng, đặc biệt với sự bùng nổ của smartphone chạy hệ điều hành Android, việc nghiên cứu Android và lập trình di động trở nên rất quan trọng cho sinh viên ngành Điện – Điện tử Điều này mở ra cơ hội thiết kế sản phẩm kết hợp giữa thiết bị Android và các mạch điện tử cơ bản, tạo ra hệ thống thông minh Sản phẩm hoàn thiện từ đồ án này không chỉ là sự giao thoa giữa công nghệ Android và điện tử, mà còn có tính ứng dụng cao trong phát triển các hệ thống điều khiển không dây, góp phần vào sự tiến bộ của các hệ thống điều khiển thông minh.
Bạn có thể điều khiển các thiết bị điện trong nhà từ xa mà không cần phải di chuyển đến vị trí của công tắc Điều này rất tiện lợi, đặc biệt khi bạn về nhà vào buổi tối, cho phép bạn bật đèn trước khi bước vào.
- Tăng tính thẩm mỹ đối với các ngôi nhà thông minh, không cần đặt các công tắc điều khiển khắp nhà, gây nguy hiểm khi nhà có trẻ em;
- Bảo vệ an toàn cho người sử dụng, có thể điều khiển các thiết bị điện công suất lớn từ xa;
- Hẹn giờ để tự động bật tắt thiết bị;
- Hạn chế sử dụng các đường dây kết nối phức tạp để điều khiển các thiết bị công suất gia dụng;
Các hệ thống trang trại chăn nuôi và vườn ươm hoa, cây giống có khả năng bật đèn từ xa cho những khu vực thiếu sáng và điều chỉnh quạt thông gió cho những nơi có nhiệt độ vượt mức cho phép Điều này giúp giảm thiểu số lượng công tắc điều khiển, đồng thời cho phép quản lý linh hoạt bằng cách chỉ bật những thiết bị cần thiết.
Bố cục của đồ án
Phần còn lại của đồ án có nội dung như sau:
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này sẽ giới thiệu tổng quan về công nghệ Bluetooth, bao gồm khái niệm, đặc điểm, chế độ kết nối, kỹ thuật truyền dữ liệu và cách thức hoạt động Đồng thời, sẽ trình bày các thông số và ý nghĩa của các linh kiện chính trong thiết kế bộ điều khiển, như vi điều khiển PIC18F4620, IC Real-Time DS1307 và module Bluetooth HC-06 Cuối cùng, chương cũng sẽ cung cấp kiến thức cơ bản về hệ điều hành Android để hỗ trợ lập trình phần mềm điều khiển trên điện thoại trong chương tiếp theo.
- Chương 3: Thiết kế hệ thống
Chương này sẽ giới thiệu sơ đồ khối của bộ điều khiển, phân tích các phương án thực hiện và lựa chọn phương án tối ưu nhất Đồng thời, chương cũng nêu rõ các yêu cầu cần thiết cho phần mềm điều khiển trên điện thoại, làm nền tảng để phát triển ứng dụng di động Ngoài ra, chương sẽ trình bày yêu cầu đối với phần mềm điều khiển của vi điều khiển và lưu đồ hoạt động của chương trình.
- Chương 4: Kết quả vả hướng phát triển
Chương này sẽ giới thiệu các kết quả đạt được từ đề tài, bao gồm hình ảnh sản phẩm (bộ điều khiển và ứng dụng trên điện thoại), kết quả điều khiển của sản phẩm, cùng với các kết luận sau khi hoàn thành Ngoài ra, chương cũng sẽ đề xuất những hướng phát triển trong tương lai để nâng cao chất lượng sản phẩm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Công nghệ Bluetooth
Ngày nay, công nghệ Bluetooth được tích hợp trong nhiều thiết bị, cho phép truyền thông không dây hiệu quả với các thiết bị Bluetooth khác Dưới đây là những đặc điểm nổi bật của công nghệ này.
2.1.1 Lịch sử hình thành Bluetooth
Tên gọi Bluetooth (có nghĩa là “răng xanh”) là tên của nhà vua Đan Mạch – Harald I Bluetooth (Danish Harald Blaatand người đã thống nhất Thụy Điển và Na
Người Viking nổi tiếng với khả năng giao tiếp và thương lượng, tương tự như sự ra đời của công nghệ không dây Bluetooth Bluetooth đã đóng vai trò quan trọng trong việc thống nhất ngành công nghiệp máy tính và viễn thông ngay từ những ngày đầu.
Năm 1994, Ericsson đã giới thiệu một đề án tiên phong nhằm kết nối các thiết bị điện tử khác nhau mà không cần sử dụng cáp nối phức tạp Đề án này sử dụng mạng vô tuyến cự ly ngắn với một vi mạch chỉ 9mm, cho phép chuyển đổi các tín hiệu sóng vô tuyến điều khiển, thay thế cho các dây cáp điều khiển truyền thống.
Năm 1998, năm công ty hàng đầu thế giới là Ericsson, Nokia, IBM, Intel và Toshiba đã hợp tác để thiết kế và phát triển một chuẩn công nghệ kết nối không dây mới mang tên Bluetooth, nhằm kết nối các thiết bị vi điện tử thông qua sóng vô tuyến.
Vào ngày 20 tháng 5 năm 1998, nhóm nghiên cứu Special Interest Group (SIG) đã được thành lập nhằm phát triển công nghệ Bluetooth trong lĩnh vực viễn thông Tất cả các công ty có nhu cầu sử dụng công nghệ Bluetooth đều có thể tham gia vào nhóm này.
Tháng 7/1999: Các chuyên gia trong SIG đã đưa ra thuyết minh kỹ thuật Bluetooth phiển bản 1.0.
Năm 2000, SIG đã chào đón 4 thành viên mới gồm 3Com, Lucent Technologies, Microsoft và Motorola Công nghệ Bluetooth đã được cấp dấu chứng nhập kỹ thuật ngay trong lần ra mắt đầu tiên Các thông số kỹ thuật của Bluetooth do SIG phát triển hiện đã được công khai và miễn phí trên website http://www.bluetooth.org, với hơn 2100 công ty trên toàn thế giới áp dụng Công nghệ Wireless Personal Area Network (WPAN) dựa trên nền Bluetooth giờ đây đã trở thành một chuẩn IEEE mang tên 802.15 WPANS.
Năm 2001, công nghệ Bluetooth 1.1 ra mắt cùng với bộ phát triển phần mềm Bluetooth - XTNDAccess Blue SDK, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong sự phát triển của Bluetooth trên nhiều lĩnh vực Sự ra đời này đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà sản xuất mới và giúp Bluetooth được bình chọn là công nghệ vô tuyến tốt nhất trong năm.
Vào tháng 7 năm 2002, Bluetooth SIG đã thành lập cơ quan chính tại Overland Park, Kansas, Mỹ, đánh dấu sự ra đời của các thế hệ máy tính Apple hỗ trợ Bluetooth Không lâu sau, Bluetooth được tích hợp vào máy Macintosh với hệ điều hành MAC OXS, cho phép người dùng chia sẻ tập tin giữa các máy MAC, đồng bộ hóa và chia sẻ thông tin liên lạc với các thiết bị Palm, cũng như truy cập Internet qua điện thoại di động hỗ trợ Bluetooth như Nokia, Ericsson và Motorola.
Vào tháng 5 năm 2003, CSR (Cambridge Silicon Radio) đã giới thiệu một chip Bluetooth mới với khả năng tích hợp dễ dàng và giá cả hợp lý, góp phần vào sự phát triển của thế hệ Motherboard tích hợp Bluetooth Điều này đã giúp giảm sự chênh lệch giá cả giữa các mainboard điện thoại có và không có Bluetooth Đến tháng 11 năm 2003, dòng sản phẩm Bluetooth 1.2 được ra mắt, và tổ chức Cahners In-Stat dự đoán rằng số lượng sản phẩm tích hợp Bluetooth sẽ đạt tới 1 tỷ.
Năm 2004, thị trường điện thoại di động sôi động với sự ra mắt của các thế hệ di động mới hỗ trợ Bluetooth như N7610, N6820 và N6230 Motorola cũng giới thiệu sản phẩm Bluetooth đầu tiên của mình, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ kết nối không dây Các sản phẩm Bluetooth tiếp tục được phát triển và quảng bá mạnh mẽ thông qua các chương trình tiếp thị.
“Operatiton Blueshock” International Consumer Electronics Show (CES) tại Las Vegas ngày 9/1/2004.
Vào ngày 6/1/2004, tại hội nghị Bluetooth CES ở Las Vegas, tổ chức Bluetooth SIG đã công bố số lượng thành viên đạt 3000, đánh dấu sự phát triển mạnh mẽ của tổ chức này Các thành viên đến từ nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau, bao gồm máy móc tự động, thiết bị y tế, máy tính cá nhân và điện thoại di động, tất cả đều ứng dụng công nghệ không dây tầm ngắn trong sản phẩm của mình.
Bluetooth đang phát triển nhanh chóng với nhiều ứng dụng đa dạng Theo nghiên cứu của Frost & Sullivan, năm 2001 có 4,2 triệu sản phẩm sử dụng công nghệ Bluetooth, và con số này dự kiến sẽ tăng lên 1,01 tỷ vào năm 2006.
Năm 2008, Bluetooth 3.0 ra mắt với khả năng truyền tải dữ liệu lên đến 24Mbps, chủ yếu phục vụ cho ứng dụng âm thanh và chia sẻ file Đây đánh dấu cột mốc 10 năm phát triển của công nghệ Bluetooth, với hơn 2 tỷ sản phẩm ứng dụng được phát triển trong thời gian ngắn này, cho thấy sự bùng nổ của công nghệ không dây.
Năm 2009, Bluetooth 4.0 đã được tổ chức SIG thông qua, đánh dấu sự khác biệt so với phiên bản 3.0 khi chủ yếu tập trung vào các lĩnh vực y tế, chăm sóc sức khỏe và an ninh Theo Anders Edlund, giám đốc marketing của SIG, phiên bản này chủ yếu phục vụ cho các ứng dụng sức khỏe như đồng hồ đeo tay theo dõi sức khỏe, cảm biến nhiệt độ, nhịp tim, thể thao và các thiết bị sử dụng trong gia đình.
Từ năm 2010 đến nay, công nghệ Bluetooth đã được tích hợp vào máy tính, cho phép kết nối giữa các máy tính với nhau và giữa máy tính với điện thoại Các công ty trong lĩnh vực máy tính và điện thoại đã cho ra đời nhiều thế hệ sản phẩm mới với khả năng ứng dụng Bluetooth cao hơn Thời kỳ này đánh dấu sự phát triển mạnh mẽ của Bluetooth trong máy tính, với việc ra mắt các thế hệ máy tính được trang bị kết nối Bluetooth Điều này không chỉ giúp chia sẻ dữ liệu trên điện thoại mà còn cho phép kết nối hai máy tính gần nhau để trao đổi dữ liệu mà không cần sử dụng cáp.
