Báo cáo đồ án tốt nghiệp Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằngremote IR và bằng điện thoại android”.

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, hệ thống điều khiển đóng một vai trò quan trọng trong việc phát
triển và sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật công nghệ, văn minh hiện đại. Thực tế mỗi
khía cạnh của hoạt động hằng ngày đều bị chi phối bởi một vài loại hệ thống điều
khiển. Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ thuật không gian và
hệ thống vũ khí, điểu khiển máy tính, các hệ thống giao thông, hệ thống năng
lượng, robot…
Trong sinh hoạt hàng ngày của con người như những trò chơi giải trí (robot,
xe điều khiển từ xa…) cho đến những ứng dụng gần gũi với con người cũng được
cải tiến cho phù hợp với việc sử dụng và đạt mức tiện lợi nhất. Việc điều khiển từ
xa đã thâm nhập vào tất cả các lĩnh vực của cuộc sống.
Chính vì tầm quan trọng của lĩnh vực Đo Lường Và Điều Khiển Tự Động,
nhóm em đã mạnh dạn lựa chọn đề tài “Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằng
remote IR và bằng điện thoại android”.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các tất cả các Thầy Cô Giáo trong nhà
trường, nhất là các Thầy Cô Giáo trong viện Điện Tử Viễn Thông của trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình dạy dỗ chúng em trong suốt thời gian qua.
Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo TS.NGUYỄN NGỌC VĂN.
Người đã nhiệt tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn
thành đồ án này.
Xin cảm ơn tất cả các bạn bè đã đóng góp ý kiến và giúp đỡ chúng tôi trong
lúc thực hiện đồ án này.
Xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT ĐỒ ÁN


Với mục đích chính thực hiện tự động hóa đo lường và điều khiển chúng em
đã quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằng Remote
IR (Infrared Receiver) và điện thoại android”
Ngoài ra khi thực hiện đề tài này, không chỉ điều khiển xe mô hình từ xa,

chúng em muốn sử dụng công nghệ, thiết bị phổ biến trong thế giới hiện đại ngày
nay vào việc điều khiển, cụ thể là sử dụng các dòng Smartphone chạy trên hệ điều
hành Android.
Sau khi thực hiện đồ án em đã rút ra được những kết luận quan trọng:
 Rút ra được những ưu và nhược điểm của mỗi phương pháp điều khiển từ xa.
 So sánh được khả năng điều khiển từ xa của hai phương pháp điều khiển bằng sóng

hồng ngoại (remote IR) và điều khiển bằng sóng Bluetooth qua điện thoại android.
 Hệ điều hành android và phần mềm android được sử dụng trong mọi ứng dụng của
đời sống, nhất là trong thời đại công nghệ phát triển.

ABSTRACT
With the main purpose of implementing automated measurement and
control, we have decided to make the subject: designing remote-controlled models
with remote IR and Android phones.
Furthermore, when making this subject, not only do we control remote
model cars but we also would like to use technology and popular devices in today’s
modern world to control, specifically to use the Smartphone that runs on the
Android operating system.
Affter the implemntation of the project we have drawn important
conclusions:
 Compara the remote control capability of two mothods of control: with infrared

(remote IR) and with Bluetooth wave through Android phones.
 The Android OS and the Android software are in all applications of life, especially
in this era of technological development.

Mục lục

2

3


Danh sách hình vẽ

4


Danh sách bảng biểu

Danh mục từ viết tắt
Từ viết tắt
IR

Từ đầy đủ
Infrared

Ý nghĩa
Hồng ngoại
5


MCU
MAC
AMA
PMA
ACL
SCO

CRC
FHSS
GFSK
DSSS
ISM
FEC
BEC
Baseband
LMP
SDK
GSM/EDG
E
IDEN
CDMA
EV-DO
UTMS
A2DP
AVRCP
HTML5

Vi điều khiển

Microcontroller Unit
Media Access Control
Active Member Address

Điều khiển truy cập truyền thông
Địa chỉ 3bit dành cho thiết bị đang
hoạt động trong piconet
Packed Member Address

Con số 8 bit để nhận biêt các packed
Salve với nhau
Asynchronous connectionless Phi kết nối bất đồng bộ dành cho
truyền dữ liệu
Synchronous connectionKết nối đồng bộ có định hướng
oriented
Cyclic Redundancy Check
Gói kiểm soát lỗi theo chu kỳ
Frequency Hopping
Trải phổ nhảy tần số
Spectrum
Gaussian frequency-shift
Kiểu điều chế tần số dựa trên sự thay
keying
đổi tần số rời rạc của sóng mang
Direct Sequence Spead
Là kỹ thuật điều chế trải phổ
Spectrum
Industrial Scientific Medical Dãy băng tần không cần đăng ký: 2.42.48GHz
Forward Error Correction
Kỹ thuật sửa lỗi tiến
Backward Error Control
Kỹ thuật sửa lỗi ngược
Dải băng tần cơ sở
Link Manament Protocol
Giao thức quản lý kết nối
Software Developement Kit
Bộ công cụ phát triển phần mềm
Global System for Mobile
Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Communications/ Enhanced
Data Rates for GSM
Evolution
Integrated Digital Enhanced
Công nghệ viễn thông di động phát
Network
triền mới Motorola.
Code Division Multiple
Đa truy cập phân chia theo mã
Access
EVolution-Data Optimized
Tiêu chuẩn truyền băng thông rộng vô
tuyyeens cho các thiết bị không dây
Universal Mobile
Hệ thống viễn thông di động toàn cầu
Telecommunications
Systems
Advanced Audio Distribution Là một trong những chế
Profile
độ Bluetooth hỗ trợ ĐTDĐ khả năng
phát ra âm thanh chuẩn stereo.
Audio/Video Remote Control Cấu hình điều khiển từ xa âm
Profile
thanh/Video
HyperText Markup

Là một ngôn ngữ cấu trúc và trình bày
6

CSS3
HE-AAC
JPEG

Language 5
Cascading Style Sheets

nội dung cho World Wide Web
Là những file hỗ trỡ trình duyệt web
trong việc hiển thị HTML
Mã hóa âm thanh tiên tiến

High-Efficiency Advanced
Audio Coding
Joint Photographic Experts
Group

PNG

Portable Network Graphic

GIF

Graphics Interchange Format

MIDI

Musical Instrument Digital
Interface
Global Positioning System

GPS
API
JNI

Application Programming
Interface
Java Native Interface

Là một trong những phương pháp nén
ảnh hiệu quả, có tỷ lệ nén ảnh tới vài
chục lần. Tuy nhiên chất lượng ảnh bị
suy giảm sau khi giải nén
Là một dạng hình ảnh sử dụng phương
pháp nén dữ liệu mới - không làm mất
đi dữ liệu gốc.
là một định dạng tập tin hình ảnh
bitmap cho các hình ảnh dùng ít hơn
256 màu sắc khác nhau và các hoạt
hình dùng ít hơn 256 màu cho mỗi
khung hình
Giao diện kỹ thuật số dành cho nhạc
cụ
Hệ thống Định vị Toàn cầu
Giao diện lập trình ứng dụng
Bộ framework cho phép mã lệnh viết
bằng Java

7

PHẦN MỞ ĐẦU
Điều khiển từ xa là việc điều khiển một mô hình ở một khoảng cách nào đó
mà con người không nhất thiết trực tiếp đến nơi, trực tiếp điều khiển hệ thống.
Khoảng cách đó tùy thuộc vào từng hệ thống có mức độ phức tạp, khác nhau, chẳng
hạn như việc điều khiển từ xa một phi thuyền ta cần có hệ thống phát và thu mạnh,
ngược lại để điều khiển một trò chơi điện tử từ xa ta chỉ cần một hệ thống phát và
thu yếu hơn…
Chính vì vậy với đề tài: “Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằng remote
IR và bằng điện thoại android” chúng em muốn giải quyết các vấn đề sau:
 Thực hiện đo lường khoảng cách giữa xe đến vật cản bằng sóng siêu âm.
 Thiết kế khối điều khiển xe với các chức năng cơ bản: rẽ trái, rẽ phải, tiến, lùi, dừng

lại.
 Thực hiện tự động tránh vật cản với khoảng cách cho trước dựa trên khoảng cách
đo được.
 Thực hiện dò đường dựa vào tiêu chí màu sắc của đường đi, thông qua cảm biến
hồng ngoại.
 Thiết kế phần mềm android điều khiển chuyển động của xe.

i. Giới hạn đề tài
Lĩnh vực đo lường và điều khiển tự động rất đa dạng về hướng nghiên cứu.
Đề tài: “Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằng remote IR và điện thoại
android” cũng có rất nhiều khía cạnh nghiên cứu thực hiện. Tuy nhiên trong điều
kiện:
 Thời gian thực hiện 15 tuần.
 Kinh nghiệm thực tế còn chưa nhiều.
 Tài liệu nghiên cứu chưa có nhiều tài liệu chuyên sâu.

Vì vậy nhóm em thực hiện đề tài với những nội dung sau:

 Lập trình bằng Kit Ardiuno trên vi điều khiển ATMEGA328.
 Thiết kế mạch điều khiển xe mô hình bằng tia hồng ngoại qua Remote và bằng điện

thoại android qua Sóng Bluetooth.
 Xây dựng chương trình điều khiển trên điện thoại android.
 Thực hiện các chức năng điều khiển cơ bản, tự động tránh vật cản, dò đường.
8


ii. Mục đích nghiên cứu
Thực hiện đề tài: “Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằng remote IR và
bằng điện thoại android” giúp người thực hiện nắm được lý thuyết về đo lường và
điều khiển, hiểu được nguyên lý điều khiển, tập lệnh vi điều khiển.
Sản phẩm đề tài trước hết có thể để nghiên cứu, mở rộng ứng dụng trong
thực tế sản xuất công nghiệp.
iii. Quá trình thực hiện
Dàn ý nghiên cứu
Tia hồng ngoại và điều khiển thiết bị từ xa bằng tia hồng ngoại.
Công nghệ truyền thông không dây tầm gần Bluetooth.
Hệ điều hành android.
Cảm biến trong đo lường: cảm biến sóng siêu âm.
Vi điều khiển ATMEGA328 và các tập lệnh liên quan.
Phần mềm điều khiển chạy trên hệ điều hành android.
Báo cáo thể hiện gồm các chương:
• Chương mở đầu: Khái quát về nội dung, mục đích, giới hạn đề tài và các phương

•
•
•
•

•
•

•
•

pháp thực hiện.
Chương 1: Kiến thức tổng quan.
Chương 2: Giới thiệu về hệ điều hành và các giao tiếp ngoại vi sử dụng trong thiết

kế.
• Chương 3: Thuật toán thực hiện, sơ đồ khối tổng quát và chi tiết, các bước và quá
•
•

•

trình thực hiện.
Chương 4: Kết quả đạt được và các hướng phát triển.
Chương kết luận.
Đối tượng thực hiện
Khối xử lý tín hiệu và điều khiển: có nhiều phương pháp thực hiện như dùng IC
cứng, dùng vi điều khiển,… Và trong thiết kế này nhóm em sử dụng vi điều khiển
để xử lý tín hiệu và điều khiển toàn bộ hoạt động mạch. Vi điều khiển nhóm em sử
dụng là ATMEGA328, vì dòng vi điều khiển này khá là phổ biến, dễ thực hiện, tốc

độ xử lý nhanh.
• Để thực hiện đo khoảng cách tới vật cản nhóm em sử dụng thiết bị cảm biến
SRF05. Và sử dụng động cơ Servo hỗ trợ chỉnh hướng cho SRF05.
• Thiết bị phát hồng ngoại: Remote hồng ngoại.

• Thiết bị thu hồng ngoại: Mắt thu 1838T.
• Thiết bị phát tín hiệu điều khiển qua sóng Bluetooth: Điện thoại android.
9


•
•
•

•
•

Thiết bị nhận tín hiệu của điện thoại là module Bluetooth HC05.
Thiết bị thu dữ liệu thực hiện chức năng dò đường là module hồng ngoại dò đường.
Khối chấp hành là module động cơ L298.
Phương pháp thực hiện
Tìm hiểu về lý thuyết liên quan.
Viết và thực hiện các chương trình nhỏ, các bài ví dụ trên vi điều khiển

ATMEGA328 để làm quen với kiến trúc và tập lệnh của vi điều khiển.
• Xây dựng thuật toán đo khoảng cách và điều khiển.
• Viết chương trình thực hiện thuật toán bằng Kit arduino.
• Viết ứng dụng chạy trên hệ điều hành android thực hiện điều khiển. Ứng dụng viết
•

•
•
•
•
•

•


trên phần mềm eclipse SDK 4.4.2
Mô phỏng, thi công mạch.
Thời gian thực hiện
Tìm hiểu lý thuyết: 2 tuần.
Xây dựng thuật toán: 4 tuần.
Viết chương trình: 3 tuần.
Mô phỏng, sửa mã nguồn: 2 tuần.
Thi công mạch: 2 tuần.
Viết báo cáo: 2 tuần.
Phân công công việc:

Bảng 1: Phân chia công việc
Công việc

Người thực hiện Thời gian
hoàn thành

Kết
quả

Tìm hiểu lý thuyết.

Lê Văn Thành
Tuần 2-3
Trần Văn Thuấn

Hoàn

thành

Xây dựng
phương pháp
thực hiện và
thuật toán

Điều khiển bằng
Remote qua sóng IR

Trần Văn Thuấn Tuần 4-7

Hoàn
thành

Điều khiển bằng điện
thoại android qua sóng
Bluetooth
Mã nguồn điều khiển
bằng Remote qua sóng
IR
Mã nguồn điều khiển
bằng điện thoại
android qua sóng
Bluetooth

Lê Văn Thành

Hoàn
thành

Viết mã
nguồn

10

Tuần 4-7

Trần Văn Thuấn Tuần 8-10

Hoàn
thành

Lê Văn Thành

Hoàn
thành

Tuần 8-10


Xây dựng mã nguồn
ứng dụng android
Test bo cắm, sửa mã nguồn
Thi công mạch
Viết báo cáo

Lê Văn Thành
Tuần 10
Trần Văn Thuấn

Hoàn
thành

Lê Văn Thành
Tuần 11-12
Trần Văn Thuấn
Trần Văn Thuấn Tuần 13-15

Hoàn
thành
Hoàn
thành
Hoàn
thành

Lê Văn Thành
Tuần 13-15
Trần Văn Thuấn

iv. Chỉ tiêu kỹ thuật
a.





•
•
b.



c.





•
•
•

Sản phẩm
Kích thước: cỡ dài.rộng.cao <= 25.15.10 (cm3).
Khung nhựa, sử dụng 3 bánh chuyển động.
Tốc độ: trung bình khoảng 30 cm/s.
Xây dựng được mạch điều khiển xe mô hình sử dụng chip ATMEGA328.
Xe mô hình điều khiển được bằng 2 phương pháp:
Điều khiển bằng Remote bằng sóng hồng ngoại (IR).
Điều khiển bằng điện thoại android qua sóng Bluetooth.
Phần mềm android điều khiển
Giao diện thân thiện, dễ sử dụng.
Dung lượng cài đặt thấp, phù hợp với các phiên bản android hiện hành.
Các chức năng điều khiển
Đo khoảng cách tới vật cản: khoảng cách lớn nhất đo được 3 mét.
Thực hiện các chức năng cơ bản: Stop, Tiến, Lùi, Trái, Phải.
Tự động tránh vật cản với khoảng cách cho trước: 13 cm.
Thực hiện chức năng dò đường (di chuyển theo tín hiệu phản hồi từ cảm biến).
Trong đó yêu cầu từng chức năng như sau:
Điều khiển bằng Remote:

Khoảng cách điều khiển: 3m.
Các chức năng điều khiển: Trái, Phải, Stop, Tiến, Tự động tránh vật cản, Dò đường.
Tốc độ di chuyển: Do đề tài thực hiện với xe mô hình (khối lượng khá nhỏ có thể
bỏ qua), nên tốc độ di chuyển xe không bị ảnh hưởng bởi gia tốc xe. Vận tốc trung

•

•
•
•

bình là 30cm/s.
Độ trễ tín hiệu đạt được: 0.5s.
Điều khiển bằng Android qua sóng Bluetooth
Khoảng cách điều khiển: 8 mét.
Độ trễ đạt được: 0.5s.
Các chức năng điều khiển: từ điện thoại android, điều khiển bằng chạm tay hoặc gửi
ký tự (go, stop, right, left, tránh vật cản, dò đường).

11


•

Trên phần mềm android có giao diện điều khiển đơn giản với các nút điều khiển ghi
rõ trái, phải, tiến, lùi, stop, tránh vật cản. Các nút turn on, turn off để kết nối và ngắt
kết nối Bluetooth.

CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu hệ thống điều khiển từ xa

Hệ thống điều khiển từ xa là một hệ thống cho phép ta điều khiển các thiết bị
từ một khoảng cách xa. Ví dụ hệ thống điều khiển bằng vô tuyến, hệ thống điều
khiển bằng tia hồng ngoại, hệ thống điều khiển từ xa bằng Bluetooth, hệ thống điều
khiển từ xa bằng cáp quang, dây dẫn.
Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa nói chung bao gồm:
 Thiết bị phát: biến đổi lệnh điều khiển thành tin tức và phát đi, ở trong thiết kế này
nhóm em sử dụng thiết bị phát là Remote hồng ngoại đối với phương pháp điều
khiển qua sóng hồng ngoại và thiết bị phát là điện thoại Android với phương pháp
điều khiển qua sóng bluetooth.
 Đường truyền: đưa tín hiệu điều khiển từ thiết bị phát đến thiết bị thu. Trong thiết
kế nhóm em sử dụng 2 đường truyền là sóng hồng ngoại và sóng bluetooth.
 Thiết bị thu: nhận tín hiệu điều khiển từ đường truyền, qua quá trình biến đồi, biến
dịch để tái hiện lại lệnh điều khiển rồi đưa đến các thiết bị thi hành. Trong thiết kế
của nhóm em thì thiết bị thu là mắt thu hồng ngoại 1838T và module Bluetooth
HC05.
Thiết bị phát

Đường
truyền

Thiết bị thu

Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa
Nhiệm vụ cơ bản của các hệ thống điều khiển từ xa:
 Phát tín hiệu điều khiển.
 Sản sinh ra xung hoặc hình thành các xung cần thiết.
12


 Tổ hợp xung thành mã.

 Phát tổ hợp mã tới điểm chấp hành.
 Ở điểm chấp hành (thiết bị thu) sau khi nhận được mã phải biến đổi các mã nhận

được thành các lệnh điều khiển và đưa đến các thiết bị đồng thời kiểm tra sự chính
xác của mã mới nhận.
1.1.1. Một số vấn đề cơ bản trong hệ thống điều khiển từ xa
Do hệ thống điều khiển từ xa có những đường truyền dẫn xa nên ta phải
nghiên cứu về kết cấu hệ thống để đảm bảo tín hiệu được truyền đi chính xác và
nhanh chóng theo những yêu cầu sau:
1.1.1.1. Kết cấu tin tức
Trong hệ thống điều khiển từ xa đọ tin cậy truyền dẫn tin tức có quan hệ
nhiều đến đến kết cấu tin tức. Nội dung về kết cấu tin tức có hai phần: về lượng và
về chất. Về lượng là cách biến lượng điều khiển và lượng điều khiển thành loại
xung gì cho phù hợp, và những xung đó cần áp dụng những phương pháp gì cho
phù hợp, và những xung đó cần áp dụng những phương pháp nào để hợp thành tin
tức, để có dung lượng lớn nhất và tốc độ truyền nhanh nhất.
1.1.1.2. Về kế cấu hệ thống
Để đảm bảo các yêu cầu về kết cấu tin tức, hệ thống điều khiển từ xa có các
yêu cầu sau:
 Tốc độ làm việc nhanh.
 Thiết bị phải an toàn, tin cậy.
 Kết cấu phải đơn giản.

Hệ thống điều khiển từ xa có hiệu quả cao là hệ thống đạt tốc độ điều khiển
cực đại, đồng thời đảm bảo độ chính xác trong phạm vi cho phép.
1.1.2. Phương pháp mã hóa trong điều khiển từ xa
Trong hệ thống truyền thông tin rời rạc hoặc truyền thông tin liên tục nhưng
đã được rời rạc hóa tin tức thường phải được biến đổi thông qua một phép biến đổi
thành số (thường là nhị phân) rồi mã hóa và được phát đi từ thiết bị phát.Ở thiết bị
thu, các tín hiệu phải thông qua các phép biến đổi ngược lại với các phép biến đổi

trên: giải mã, liên tục hóa,…
13


1.2. Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại
1.2.1. Lý thuyết sóng hồng ngoại IR
1.2.1.1. Khái niệm
Ánh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy được
bằng mắt thường, có bước sóng khoảng 0.8µm đến 0.9µm, tia hồng ngoại có vận
tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng.
Tia hồng ngoại có thể truyền đi được nhiều kênh tín hiệu. Nó ứng dụng rộng
rãi trong công nghiệp. Lượng thông tin có thể đạt được tới 3Mbit/s … Trong kỹ
thuật truyền tin bằng sợi quang dẫn không cần các trạm khuếch đại giữa chừng,
người ta có thể truyền một lúc 15000 điện thoại hay 15 kênh truyền hình qua một
sợi tơ quang với đường kính 0.13mm với khoảng cách 10Km đến 20Km. Lượng
thông tin được truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần.
Tia hồng ngoại dễ hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém. Trong điều khiển từ
xa, tia hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng do đó phải thu đúng hướng.
1.2.1.2. Nguồn phát sáng hồng ngoại và phổ của nó
Các nguồn sóng nhân tạo thường có nhiều sóng hồng ngoại. Hình dưới cho
ta quang phổ của các nguồn phát sáng này.

Hình 1.1: Quang phổ của các nguồn sóng hồng ngoại
Trong đó:

IRED: Diode hồng ngoại.
LA: laser bán dẫn.
LR: đèn huỳnh quang.
Q: bóng đèn thủy tinh.
W: bóng đèn điện với dây tiêm volfram.

14


PT: phototransistor.
1.2.1.3. Linh kiện thu sóng hồng ngoại
Người ta dùng quang điện trở, phototransistor, photodiode để thu sóng hồng
ngoại gần. Để thu sóng hồng ngoại trung bình và xa phát ra từ cơ thể người, vật
nóng… Loại detector với vật liệu Lithiumtitanat hay tấm chất dẻo PolyvinyLidendifluorid (PVDF). Cơ thể người phát ra tia hồng ngoại với độ dài sóng từ 8ms
đến 10ms.
1.2.1.4. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp điều khiển từ xa bằng tia
hồng ngoại
a. Ưu điểm:






Không dây dẫn.
Led phát và thu nhỏ, gọn dễ thiết kế lắp đặt và có độ tin cậy cao.
Áp cung cấp thấp, công suất tiêu tán nhỏ.
Điều khiển được nhiều thiết bị.
Tính khả thi cao, linh kiện dễ tìm thấy và thi công dễ.
b. Nhược điểm:

 Tầm xa bị hạn chế.
 Dòng điện cao tức thời.
 Nhiều hồng ngoại do các nguồn nhiệt xung quanh ta phát ra, nên có ảnh hưởng và

hạn chế tầm phát. Do đó chỉ dùng trong phòng, kho và nơi ít bị ảnh hưởng của nhiệt

độ môi trường.
 Hạn chế khi bị vật cản nên không thể truyền được xa.
1.2.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại nói chung
1.2.2.1. Máy phát

Phát lệnh điều khiển

Mã hóa

Điều chế

Khuếch đại

15Dạo động tạo sóng mang


Hình 1.2: Sơ đồ máy phát
Giải thích sơ đồ máy phát:
Máy phát có nhiệm vụ tạo ra lệnh điều khiển, mã hóa và phát tín hiệu đến
máy thu lệnh truyền đi đã được điều chế.
 Khối phát lệnh điều khiển: khối này có nhiệm vụ tạo ra lệnh điều khiển từ nút

nhấn (phím điều khiển). Một khi phím nhấn được ấn tức là một lệnh đã được phát
ra. Các nút nhấn có thể là một nút, hay ma trận nút. Ma trận phím được bố trí theo
cột và hàng. Lệnh điều khiển được đưa đến bộ mã hóa dưới dạng các bit nhị phân
tương ứng với từng phím điều khiển.
 Khối mã hóa: để truyền các tín hiệu khác nhau đến máy thu mà chúng không lẫn
lộn nhau, ta phải tiến hành mã hóa các tín hiệu (lệnh điều khiển). Khối mã hóa này
có nhiệm vụ biến đổi các lệnh điều khiển thành các bit nhị phân, hiện tượng biến
•

•
•
•

đổi này gọi là mã hóa. Có nhiều phương pháp mã hóa khác nhau:
Điều chế biên độ xung.
Điều chế vị trí xung.
Điều chế độ rộng xung.
Điều chế mã xung.
Trong kỹ thuật điều khiển từ xa dùng tia hồng ngoại, phương pháp điều chế
mã xung thường được sử dụng nhiều hơn cả, vì phương pháp này tương đối đơn
giản, dễ thực hiện.

 Khối dao động tạo sóng mang: khối này có nhiệm vụ tao ra sóng mang có tần số

ổn định, sóng mang này sẽ mang tín hiệu điều khiển khi truyền ra môi trường.
 Khối điều chế: khối này có nhiệm vụ kết hợp với tín hiệu điều khiển đã mã hóa
sóng mang để đưa đến khối khuếch đại.
 Khối khuếch đại: khuếch đại tín hiệu đủ lớn để led phát hồng ngoại phát ra môi
trường.
 Led phát: biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu hồng ngoại phát ra ngoài môi
trường.

16


1.2.2.2. Máy thu
Khuếch đại

Tách sóng

Mạch chấp hành

Giải mã

Chốt

Khuếch đại

Hình 1.3: Sơ đồ khối máy thu
Giải thích sơ đồ khối máy thu:
Chức năng của máy thu là thu được tín hiệu điều khiển từ máy phát, loại bỏ
sóng mang, giải mã tín hiệu điều khiển thành các lệnh riêng biệt, từ đó mỗi lệnh sẽ
đưa đến khối chấp hành cụ thể.
 Led thu: thu tín hiệu hồng ngoại do máy phát truyền tới và biến đổi thành tín hiệu

điều khiển.
 Khối khuếch đại: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điều khiển lớn lên từ Led thu
hồng ngoại để quá trình xử lý tín hiệu được dễ dàng.
 Khối tách sóng mang: khối này có chức năng triệt tiêu sóng mang, chỉ giữ lại tín
hiệu điều khiển như tín hiệu gửi đi từ máy phát.
 Khối giải mã: giải mã tín hiệu điều khiển thành các lệnh điều khiển dưới dạng các

bit nhị phân hay các dạng khác để đưa đến khối chấp hành cụ thể. Do đó nhiệm vụ
của khối này là rất quan trọng.
 Khối chốt: có nhiệm vụ giữ nguyên trạng thái tác động khi tín hiệu điều khiển

không còn, điều này có nghĩa là khi phát lệnh điều khiển ta chỉ tác động vào phím
ấn 1 lần, trạng thái chỉ thay đổi khi ta tác động vào nút khác thực hiện lệnh điều
khiển khác.

 Khối khuếch đại: khuếch đại tín hiệu điều khiển đủ lớn để tác động vào mach chấp
hành.
 Khối chấp hành: có thể là role, một linh kiện điều khiển nào đó, đây là khâu cuối

cùng tác động trực tiếp vào thiết bị thực hiện nhiệm vụ điều khiển mong muốn.

17


1.3. Điều khiển từ xa bằng Bluetooth
1.3.1. Công nghệ truyền thông không dây Bluetooth
1.3.1.1. Sự ra đời Bluetooth
Bluetooth hiện tại là công nghệ giao tiếp không dây phổ biến nhất trên các
thiết bị di động và có lẽ bạn cũng đã ít nhất một lần truyền/nhận dữ liệu hay nghe
nhạc qua Bluetooth.
Gần 1 nghìn năm sau cái chết của vua Harald Bluetooth, vị vua người Thụy
Điển đã thống nhất được các vùng đất tại bán đảo Scandinavia để quy về một mối
dưới triều đại Viking vào thế kỷ thứ 10, năm 1994 hãng công nghệ Thụy Điển,
Ericsson, đã nảy ra cái tên Bluetooth cho công nghệ không dây mà họ đang phát
triển với mong muốn rằng công nghệ này có thể thực hiện được sứ mệnh “chuẩn
hóa” và thống nhất các kết nối không dây giữa những nhà sản xuất thiết bị cầm tay
[2].
Logo Bluetooth là sự kết hợp của 2 ký tự Rune cổ: (Hagall) và (Bjarkan)
tương đương với 2 ký tự H và B trong chữ Latin là viết tắt của Harald Bluetooth.
Sau đó, Bluetooth được liên minh Bluetooth SIG với các thành viên chính là
những hãng sản xuất phần cứng lớn nhất thời bấy giờ như Nokia, Ericsson, Intel,
IBM, Toshiba… “chuẩn hóa” và công bố phiên bản đầu tiên vào năm 1998 [2].
1.3.1.2. Các phiên bản Bluetooth
Từ khi ra đời đến nay, Bluetooth đã cải tiến nhiều phiên từ phiên bản
Bluetooth 1.0 đến hiện nay là phiên bản Bluetooth 4.2:

Bảng 1. 1: Các phiên bản Bluetooth
Phiên bản
Chi tiết
Bluetooth 1.0 Là phiên bản đầu tiên của chuẩn kết nối Bluetooth được
đưa vào sử dụng với tốc độ truyền tải dữ liệu là 1Mbs,
tuy nhiên thực tế tốc độ của phiên bản này chỉ đạt được
mức 720kbs [1].
Bluetooth 2.0 Là phiên bản nâng cấp sau Bluetooth 1.0 được nâng cấp
+ ERD
tốc độ truyền tải lên 2.1 Mbs cùng với chế độ truyền tải
mới ERD (enhanced data rate). Phiên bản 2.1 được nâng
cấp về tốc độ truyền tải nhưng lại hạn chế trên thiết bị sử
18


dụng do ERD chỉ là chế độ tùy chọn, một số nhà sản
xuất đã không đưa chế độ này vào sản phẩm của mình
để giảm chi phí sản xuất [1].
Bluetooth
Được nâng cấp từ Bluetooth 2.0 vào năm 2007 với thay
2.1+ ERD
đổi quan trọng như hiệu năng cao hơn, giảm điện năng
tiêu thụ. Phiên bản này được sử dụng trên các thiết bị
như điện thoại di động, laptop, tai nghe ….. Tuy nhiên,
Bluetooth 2.1 vẫn chưa cho người dùng truyền tải các
tập tin có dung lượng lớn [1].
Bluetooth 3.0 Năm 2009 buetooth 3.0 ra đời với thay đổi lớn về tốc độ
+ HS
truyền tải, đạt 24Mbps ở phiên bản này các thiết bị có
thể tương tác dễ dàng với nhau hơn, có thể tự dò tìm các

thiết bị ở gần [1].
Bluetooth 4.0 Là sự kết hợp của các đời Bluetooth trước đó với nhau.
Bluetooth 4.0 đạt tốc độ truyền tải lên đến 25Mbps, dễ
dàng ghép đôi các thiết bị với nhau, hiệu năng tiêu thụ
thấp. Đây là chuẩn Bluetooth được sử dụng trên hầu hết
các thiết bị hiện nay [1].
Bluetooth 4.1 Là phiên bản mới nhất ra đời đầu năm 2014 với nhiều
cải tiến vượt bậc so với Bluetooth 4.0 [1].
Bluetooth
Bluetooth v4.2 được phát hành vào 02 tháng 12, năm
4.2
2014. Nó giới thiệu một số tính năng quan trọng
cho IOT (internet of things). Một số tính năng, chẳng
hạn như dữ liệu chiều dài mở rộng, yêu cầu cập nhật
phần cứng.Tuy nhiên, một số phần cứng Bluetooth cũ có
thể nhận được một số tính năng Bluetooth v4.2, chẳng
hạn như cập nhật bảo mật thông qua firmware.
1.3.1.3. Ưu điểm và nhược điểm của điều khiển từ xa qua Bluetooth






a. Ưu điểm:
Tiêu thụ năng lượng thấp.
Cho phép ứng dụng được nhiều loại thiết bị cầm tay và điện thoại di động
Giá thành ngày một giảm.
Khoảng cách giao tiếp cho phép giữa 2 thiết bị kết nối có thể lên đến 100m
Sử dụng băng tần 2.4GHz, tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới 1Mbps mà các thiết

bị không cần phải trực tiếp thấy nhau.
 Tính tương thích cao và được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần mềm hỗ
trợ.
b. Nhược điểm:
 Khoảng cách kết nối còn ngắn so với công nghệ mạng không dây khác.
 Chỉ kết nối được 2 thiết bị với nhau, không kết nối được thành mạng.

19


1.3.2. Các vấn đề bảo mật trong công nghệ Bluetooth
1.3.2.1. Bảo mật
Khi sử dụng công nghệ buletooth, chắc hẳn mọi người ai cũng quan tâm đến
vấn đề bảo mật của nó. Tùy thuộc vào cách nó được cấu hình mà công nghệ
Bluetooth có thể khá an toàn, tuy nhiên nhiều thiết bị Bluetooth có số lượng ngắn
các chữ số sử dụng trong mã PIN có thể gây nguy hiểm cho các thiết bị này.
Nếu ai đó có thể phát hiện ra thiết bị Bluetooth của bạn, thì người này hoàn
toàn có khả năng gửi các tin nhắn không yêu cầu và lạm dụng dịch vụ Bluetooth
hoặc xâm nhập hay sửa đổi dữ liệu của bạn. Các virut hoặc các mã nguy hiểm khác
cũng có thể lợi dụng công nghệ này để làm hại thiết bị. Nếu đã bị xâm nhập, dữ liệu
của bạn có thể sẽ bị sửa đổi, làm tổn hại hay bị đánh cắp hoặc mất.
1.3.2.2. Phương pháp bảo vệ
 Vô hiệu hóa Bluetooth khi không sử dụng chúng .Trừ khi bạn kích hoạt việc truyền

tải thông tin từ thiết bị này đến một thiết bị khác, nếu không bạn nên vô hiệu hóa
công nghệ này để tránh những người không hợp lệ có thể xâm nhập.
 Sử dụng Bluetooth trong chế độ ẩn – khi kích hoạt Bluetooth- hãy đặt nó trong
trạng thái “không thể phát hiện “. Chế độ ẩn nhằm ngăn chặn các thiết bị khác nhận
ra thiết bị của bạn. Điều này không ngăn cản bạn kết nối đến các thiết bị Bluetooth

khác. Thậm chí cả hai cũng có thể nhận ra nhau để kết nối nếu chúng cùng trong
chế độ ẩn. Các thiết bị như điện thoại di động và tai nghe không dây cần phải đặt
trong chế độ “ không phát hiện “ kết nối ban đầu thì chúng luôn nhận ra thiết bị kia
mà không cần tìm kiếm lại kết nối nữa cho lần tiếp theo.
 Cẩn thận với những nơi sử dụng Bluetooth. Cần phải quan tâm đến môi trường khi
ghép đôi thiết bị của bạn hoặc hoạt động trong chế độ có thể phát hiện.
 Đánh giá các thiết lập bảo mật. Hầu hết các thiết bị đều có nhiều đặc tính giúp trang
bị cần thiết cho bản thân, vô hiệu hóa bất kỳ tính năng hoặc các kết nối không cần
thiết có thể. Kiểm tra các thiết lập, thiết lập bảo mật đặc biệt và lựa chọn các tùy
chọn cần thiết đối với bạn mà không gây ra mức rủi ro cao.
 Khai thác triệt để các tùy chọn bảo mật. Tìm hiểu kỹ các tùy chọn bảo mật mà thiết
bị Bluetooth của bạn có thể cung cấp, từ đó khai thác triệt để những tính năng tác
dụng của chúng như sự mã hóa và thẩm định.

20


1.3.3. Các khái niệm trong công nghệ Bluetooth
1.3.3.1. Master Unit-Khối chính
Master là thiết bị đầu tiên tạo kết nối có vai trò quyết định số kênh truyền
thông và thực hiện đồng bộ giữa các thành phần trong Piconet.
Là thiết bị duy nhất trong 1 Piconet, Master thiết lập đồng hồ đếm xung và
kiểu bước nhảy (hopping) để đồng bộ tất cả các thiết bị trong cùng piconet mà nó
đang quản lý, thường là thiết bị đầu tiên chuyển đổi dữ liệu. Master cũng quyết định
số kênh truyền thông. Mỗi Piconet có một kiểu hopping duy nhất.
1.3.3.2. Slaver Unit: là thiết bị gửi yêu cầu tới Master
Là tất cả các thiết bị còn lại trong piconet, một thiết bị không là Master thì
phải là Slave. Tối đa 7 Slave dạng Active và 255 Slave dạng Parked (Inactive) trong
1 Piconet. Có 3 dạng Slave trong một Piconet:
 Active: Slave hoạt động, có khả năng trao đổi thông tin với Master và các Slave

Active khác trong Piconet. Các thiết bị ở trạng thái này được phân biệt thông qua 1
địa chỉ MAC (Media Access Control) hay AMA (Active Member Address) - đó là
con số gồm 3 bit. Nên trong 1 Piconet có tối đa 8 thiết bị ở trạng thái này (1 cho
Master và 7 cho Slave).
 Standby: Standby là một dạng inactive, thiết bị trong trạng thái này không trao đổi
dữ liệu, sóng radio không có tác động lên, công suất giảm đến tối thiểu để tiết kiệm
năng lượng, thiết bị không có khả năng dò được bất cứ mã truy cập nào. Có thể coi
là những thiết bị trong nằm ngoài vùng kiểm soát của Master.
 Parked: là một dạng inactive, chỉ 1 thiết bị trong 1 Piconet thường xuyên được đồng
bộ với Piconet, nhưng không có 1 địa chỉ MAC. Chúng như ở trạng thái "ngủ" và sẽ
được Master gọi dậy bằng tín hiệu "beacon" (tín hiệu báo hiệu). Các thiết bị ở trạng
thái Packed được đánh địa chỉ thông qua địa chỉ PMA (Packed Member Address).
Đây là con số 8 bits để phân biệt các packed Slave với nhau và có tối đa 255 thiết bị
ở trạng thái này trong 1 Piconet.
1.3.3.3. Piconet
Picotnet là tập hợp các thiết bị được kết nối thông qua kỹ thuật Bluetooth
theo mô hình Ad-Hoc (đây là kiểu mạng được thiết lập cho nhu cầu truyền dữ liệu
21


hiện hành và tức thời, tốc độ nhanh và kết nối sẽ tự động huỷ sau khi truyền xong).
Trong 1 Piconet thì chỉ có 1 thiết bị là Master. Đây thường là thiết bị đầu tiên tạo
kết nối, nó có vai trò quyết định số kênh truyền thông và thực hiện đồng bộ giữa các
thành phần trong Piconet, các thiết bị còn lại là Slave. Đó là các thiết bị gửi yêu cầu
đến Master [3].
Lưu ý rằng, 2 Slave muốn thực hiện liên lạc phải thông qua Master bởi
chúng không bao giờ kết nối trực tiếp được với nhau, Master sẽ đồng bộ các Slave
về thời gian và tần số. Trong 1 Piconet có tối đa 7 Slave đang hoạt động tại 1 thời
điểm.

Các mô hình Piconet:
Minh hoạ một Piconet gồm nhiều Slave:

Hình 1.4: Kiến trúc Piconet trong Bluetooth
1.3.3.4. Scatternet
Là 2 hay nhiều Piconet độc lập và không đồng bộ, các Piconet này kết hợp
lại truyền thông với nhau.
Lưu ý:
 Một thiết bị có thể vừa là Master của Piconet này, vừa là Slave của Piconet khác.
22


 Vai trò của 1 thiết bị trong Piconet là không cố định, có nghĩa là nó có thể thay đổi

từ Master thành Slave và ngược lại, từ Slave thành Master. Ví dụ nếu Master không
đủ khả năng cung cấp tài nguyên phục vụ cho Piconet của mình thì nó sẽ chuyển
quyền cho 1 Slave khác giàu tài nguyên hơn, mạnh hơn, bởi vì trong 1 piconet thì
Clock và kiểu Hopping đã được đồng bộ nhau sẵn.
Ví dụ một Scatternet:

Hình 1.5: Một Scatternet gồm 2 Piconet
1.3.4. Định nghĩa các liên kết vật lý trong Bluetooth
 Asynchronous connectionless (ACL): được thiết lập cho việc truyền dữ liệu, những

gói dữ liệu cơ bản (primarily packet data). Là một kết nối point-to-multipoint giữa
Master và tất cả các Slave tham gia trong piconet. Chỉ tồn tại duy nhất một kết nối
ACL. Chúng hỗ trợ những kết nối chuyển mạch gói (packet-switched connection)
đối xứng và không đối xứng. Những gói tin đa khe dùng ACL link và có thể đạt tới
khả năng truyền tối đa 723.2 kbps ở một hướng và 57.6 kbps ở hướng khác [4][5].
Master điều khiển độ rộng băng tầng của ACL link và sẽ quyết định xem trong một

piconet một slave có thể dùng băng tầng rộng bao nhiêu. Những gói tin broadcast
truyền bằng ACL link, từ master đến tất cả các slave. Hầu hết các gói tin ACL đều
có thể truyền lại.
 Synchronous connection-oriented (SCO): hỗ trợ kết nối đối xứng, chuyển mạch

(circuit-switched), point-to-point giữa một Master và một Slave trong 1 piconet. Kết
23


nối SCO chủ yếu dùng để truyền dữ liệu tiếng nói. Hai khe thời gian liên tiếp đã
được chỉ định trước sẽ được dành riêng cho SCO link. Dữ liệu truyền theo SCO link
có tốc độ 64kbps. Master có thể hỗ trợ tối đa 3 kết nối SCO đồng thời. SCO packet
không chứa CRC (Cyclic Redundancy Check) và không bao giờ truyền lại. Liên kết
SCO được thiết lập chỉ sau khi 1 liên kết ACL đầu tiên được thiết lập [3].
1.3.5. Trạng thái của thiết bị Bluetooth
Có 4 trạng thái chính của 1 thiết bị Bluetooth trong 1 piconet:
 Inquiring device (inquiry mode): thiết bị đang phát tín hiệu tìm thiết bị Bluetooth
khác.
 Inquiry scanning device (inquiry scan mode): thiết bị nhận tín hiệu inquiry của thiết
bị đang thực hiện inquiring và trả lời.
 Paging device (page mode): thiết bị phát tín hiệu yêu cầu kết nối với thiết bị đã
inquiry từ trước.
 Page scanning device (page scan mode): thiết bị nhận yêu cầu kết nối từ paging
device và trả lời.
1.3.6. Các chế độ kết nối
 Active mode: trong chế độ này, thiết bị Bluetooth tham gia vào hoạt động của

mạng. Thiết bị master sẽ điều phối lưu lượng và đồng bộ hóa cho các thiết bị slave.
 Sniff mode: là 1 chế độ tiết kiệm năng lượng của thiết bị đang ở trạng thái active. Ở
Sniff mode, thiết bị slave lắng nghe tín hiệu từ mạng với tần số giảm hay nói cách

khác là giảm công suất. Tần số này phụ thuộc vào tham số của ứng dụng. Đây là
chế độ ít tiết kiệm năng lượng nhất trong 3 chế độ tiết kiệm năng lượng.
 Hold mode: là 1 chế độ tiết kiệm năng lượng của thiết bị đang ở trạng thái active.
Master có thể đặt chế độ Hold mode cho slave của mình. Các thiết bị có thể trao đổi
dữ liệu ngay lập tức ngay khi thoát khỏi chế độ Hold mode. Đây là chế độ tiết kiệm
năng lượng trung bình trong 3 chế độ tiết kiệm năng lượng.
 Park mode: là chế độ tiết kiệm năng lượng của thiết bị vẫn còn trong mạng nhưng
không tham gia vào quá trình trao đổi dữ liệu (inactive). Thiết bị ở chế độ Park
mode bỏ địa chỉ MAC, chỉ lắng nghe tín hiệu đồng bộ hóa và thông điệp broadcast
của Master. Đây là chế độ tiết kiệm năng lượng nhất trong 3 chế độ tiết kiệm năng
lượng.

24


1.3.7. Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số trong công nghệ Bluetooth
1.3.7.1. Khái niệm:
Bluetooth sử dụng kỹ thuật vô tuyến được gọi là trải phổ nhảy tần số
(Frequency Hopping Spectrum-FHSS), chia nhỏ dữ liệu được gửi đi và truyền từng
khúc dữ liệu lên 79 tần số. Trong dạng cơ bản của nó, sự điều chế là sự đánh tín
hiệu dịch tần số Gausse (GFSK). Nó đạt được tốc độ truy cập là 1Mbs, tốc độ truy
cập tối đa của nó có thể lên đến 3Mbs. Bluetooth hoạt động ở dải tần 2.4GHz.
Truyền trải phổ là kỹ thuật truyền tín hiệu sử dụng nhiều tần số cùng 1 lúc
(DSSS-Direct Sequence Spead Spectrum) hoặc luân phiên FHSS để tăng khả năng
chống nhiễu, bảo mật và tốc độ truyền dữ liệu.
Trải phổ nhảy tần số là kỹ thuật phân chia giải băng tần thành một tập hợp
các kênh hẹp và thực hiện việc truyền tín hiệu trên các kênh đó bằng việc nhảy tuần
tự qua các kênh theo một thứ tự nào đó.

Hình 1.6: Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số

1.3.7.2. Kỹ thuật nhảy tần số trong công nghệ Bluetooth
Giải băng tần ISM 2.4GHz được chia thành 79 kênh, với tốc độ nhảy là 1600
lần trong một giây, điều đó có thể tránh được nhiễu tốt và chiều dài của các packet
ngắn lại, tăng tốc độ truyền thông. Hầu hết các nước dùng 79 bước nhảy, mỗi bước
nhảy cách nhau 1MHz, bắt đầu ở 2.402GHz và kết thúc ở 2.480GHz. Ở một vài
nước, chẳng hạn như Pháp, Nhật phạm vi của dải băng tần này được giảm còn 23
bước nhảy [4].
25