Đồ án lập trình hệ thống vi điều khiển Gậy thông minh cho người khiếm thính

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Tel:(84-511)3736 949 Fax(84-511)3842 771
Website:itf.dut.udn.vn Email:

--------

BÁO CÁO ĐỒ ÁN

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
VI ĐIỀU KHIỂN
ĐỀ TÀI:

“GẬY THÔNG MINH HỖ TRỢ
NGƯỜI KHIẾM THỊ”
GVHD: TS. Trần Thế Vũ
SVTH: Ngô Thị Diệu Hằng
Trịnh Minh An
Bùi Văn Thảo
LỚP:
14T2

Đà Nẵng, 12/2016

14N10B
14N10B
14N12A

Lời cảm ơn
Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ
giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian
thực hiện đề tài, chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm của quý thầy/cô, gia
đình và bạn bè.
Với lòng biết ơn sâu sắc em xin gửi đến quý thầy cô ở khoa công nghê thông tin
đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho
chúng em. Và đặc biệt trong học kỳ này, khoa đã giúp cho chúng em tiếp cận được với
môi trường làm việc thực tế thông qua học phần “Đồ án Vi Điều Khiển”.
Để hoàn thành được đồ án môn học này, chúng em xin chân thành cảm ơn đến
TS. Trần Thế Vũ đã tận tình giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian làm đồ án.
Cảm ơn các bạn cũng nhóm làm việc đã hết sức năng nổ, nhiệt tình, không quản
ngày đêm cũng nhau hoàn thành nhiệm vụ được giao.
Sự thành công của môn học này chính là nhờ sự đóng góp công sức không hề nhỏ
của thầy và các bạn. Trong quá trình hoàn thành công việc, chúng em không thể tránh
được sai sót. Vậy nên, chúng em rất mong quý thầy/cô thông cảm cho những sai sót ấy
và ghi nhận những gì chúng em đã làm được.
Một lần nữa, chúng em xin cảm ơn quý thầy/cô đã bỏ ra thời gian quý báu của
mình để thông qua đồ án Vi Điều Khiển của chúng em.
Chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện


Gậy thông minh hỗ trợ người khiếm thị

TS. Trần Thế Vũ

MỤC LỤC
Lời cảm ơn.................................................................................................................... 1

I.

Mục tiêu đồ án......................................................................................................3
I.1. Phân tích yêu cầu...............................................................................................3
I.2. Đặc tả yêu cầu....................................................................................................3

II. Phân công công việc.............................................................................................4
III.

Mô tả chi tiết hệ thống.......................................................................................4

IV.

Giải pháp thực hiện...........................................................................................5

1.

2.

Phần cứng.......................................................................................................5
1.1.

Nguyên lý hoạt động phần cứng.............................................................5

1.2.

Các chân và cách nối mạch của từng thiết bị.........................................7

1.3.

Sơ đồ mạch điện.......................................................................................9

Nguyên lý hoạt động phần mềm....................................................................9
2.1.

Nguyên lý hoạt động................................................................................9

2.2.

Các thư viện/framework đã sử dụng....................................................10

V.

Kê khai linh kiện và chi phí...............................................................................10

VI.

Đánh giá hệ thống............................................................................................11

1.

Độ ổn định và chính xác...............................................................................11

2.

Tốc độ thực thi..............................................................................................11

3.

Ưu điểm.........................................................................................................11

4.

Nhược điểm...................................................................................................11

5.

Tính thực tế...................................................................................................11

6.

Hướng cải tiến...............................................................................................11

VII.

Kết luận.........................................................................................................12

1.

Những việc đã làm được..............................................................................12

2.

Những việc chưa làm được..........................................................................12

3


Gậy thông minh hỗ trợ người khiếm thị

TS. Trần Thế Vũ

I. Mục tiêu đồ án
Đề tài : Gậy thông minh dành hỗ trợ cho người khiếm thị.
Thực tiễn : Ngày nay trên thế giới với sự bùng nổ của các ngành công nghệ
thông tin, điện tử, viễn thông v.v… Đã làm cho chất lượng đời sống của con
người ngày càng nâng cao và hoàn thiện hơn. Các thiết bị tự động hóa đã ngày
càng xâm lấn vào trong quá trình sản xuất và thậm chí là vào cuộc sống sinh
hoạt hằng ngày của mỗi con người. Hiện nay ở Việt Nam có khoảng 3 triệu
người khiếm thị. Họ gặp rất nhiều khó khăn về việc đi lại trong cuộc sống. Tuy
có nhiều sản phẩm trên thị trường dành cho những người này nhưng giá thành
cao và cách sử dụng còn phức tạp. Chính vì thế nhóm chúng em quết định tận
dụng các đồ vật có sẵn, mua các linh kiện đã chế tạo và cho ra đời chiếc gậy
cầm tay dành cho người khiếm thị để hỗ trợ, giúp đỡ những người kém may
mắn này.
I.1. Phân tích yêu cầu
Có hai chức năng chính của gậy thông minh này là giúp người đi đường
phát hiện vật cản ở phía trước và giúp người thân có thể đinh vị được vị trí của
người khiếm thị thông qua app khi cần thiết.
I.2. Đặc tả yêu cầu
- Đối với chức năng giúp người đi đường phát hiện vật cản: sẽ có một
cảm biến siêu âm giúp nhận biết có vật cản ở phía trước hay không rồi sẽ thông
báo qua loa bằng tiếng kêu với các tần suất khác nhau, vật cản càng gần thì âm
phát ra càng to và tần suất càng nhanh.
- Đối với chức năng giúp người thân có thể đinh vị được vị trí của
người khiếm thị thông qua app: khi mở app ra thì sẽ có một button, nhấn button
thì sẽ yêu cầu định vị vị trí của người khiếm thị đang ở đâu, nhận thông tin và
hiển thị lên app thông qua map, người thân sẽ biết được vị trí người khiếm thị
đang ở đâu.

4


Gậy thông minh hỗ trợ người khiếm thị

TS. Trần Thế Vũ

II. Phân công công việc
Bảng 1. Phân công công việc
ST

HỌ VÀ TÊN

T
1

Ngô Thị Diệu Hằng

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC
- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của module GPS
NEO 6.
- Xử lý code sử dụng module GPS để định vị vị
trí hiện tại.
- Tìm hiểu và code App Android hỗ trợ định vị.

2

Bùi Văn Thảo

- Đề xuất giải pháp về phần cứng.

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến
siêu âm và còi buzzer.
- Xử lý code sử dụng cảm biến siêu âm để đo
khoảng cách và báo tín hiệu ra còi buzzer.
- Thực hiện lắp ráp linh kiện kết nối với phần
cứng.

3

Trịnh Minh An

- Viết báo cáo.
- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của module
SIM800A.
-Xử lý code sử dụng Module SIM gọi điện và
nhắn tin.
- Kết nối các linh kiện với nguồn với 2 arduino
và xử lý code giữa các linh kiện.
- Xử lý giải thuật chính của chương trình.

III.

Mô tả chi tiết hệ thống
 Sử dụng cảm biến khoảng cách HC-SR04 và loa buzzer để cảnh
báo người sử dụng nếu có vật cản phía trước với nhiều tần suất
khác nhau.

5

Gậy thông minh hỗ trợ người khiếm thị

TS. Trần Thế Vũ

 Sử dụng App thiết kế sẵn cùng với Module SIM800A và Module
GPS NEO 6 để định vị vị trí hiện tại của người sử dụng thiết bị
bằng tin nhắn SMS.

6


Gậy thông minh hỗ trợ người khiếm thị

TS. Trần Thế Vũ

IV.
Giải pháp thực hiện
1. Phần cứng
1.1.
Nguyên lý hoạt động phần cứng
Bảng 2. Nguyên lý hoạt động phần cứng
Tên cảm biến

Hình ảnh

Nguyên lý hoạt động
Cảm
biến
siêu
âm

SRF05 cũng hoạt động theo

Cảm biến siêu

như nguyên tắc ở trên, thiết

âm

bị gồm có 2 loa - thu và phát
- cùng với 5 chân để kết nối
với Arduino. Theo tài liệu
của nhà sản xuất thì tầm hoạt
động tối đa của cảm biến này
nằm trong khoảng 5m.

Module
SIM800A

Những dự án xây dựng các hệ
thống điều khiển từ xa, gửi
nhận dữ liệu thu thập từ các
cảm biến... ở những nơi không
có internet thì sử dụng sóng
điện thoại là giải pháp duy nhất
vì chi phí rẻ, bất chấp
khoảng cách và độ ổn định cao.
Với Modul sim 800A kết hợp
với mạch xử lý arduino uno
hoặc mega các bạn có thể làm
được nhiều hệ thống tương đối

tốt có thể ứng dụng vào thực tế
như bộ định vị, các hệ thống
điều khiển thiết bị từ xa qua
điện thoại, sms makerting,...

7


Gậy thông minh hỗ trợ người khiếm thị

Module GPS
NEO6

Buzzer( còi
chip)

Nguồn

TS. Trần Thế Vũ

Xác định tọa độ (kinh tuyến, vĩ
tuyến) hiện tại của module trên
bề mặt trái đất với sai số nhỏ
nhất < 1m. Xác định thời gian
quốc tế được cấp bởi đồng hồ
nguyên tử trên vệ tinh gửi về.
Từ đó bạn cũng có thể suy ra
thời gian đồng hồ nơi ở của
bạn theo tắc trừ múi giờ. Khỏi
cần module RTC.Có thể tính

toán ra tốc độ di chuyển,
hướng di chuyển của vật thể
được gắn module GPS.
Điện hoạt hoạt động 3V.
- Kích thước: 9.5x12mm
- Màu sắc: Đen.
- 2 Chân âm dương chân dài là
chân dương chân ngắn là chân
âm.

3.7V qua bộ cấp nguồn 5V.
Công dụng: Cung cấp toàn bộ
năng lượng cho thiết bị.
Có thể sạc thông qua mạch sạc.

8


Gậy thông minh hỗ trợ người khiếm thị

TS. Trần Thế Vũ

Arduino

Board Arduino Nano là một
trong những phiên bản nhỏ
gọn của board Arduino.
Arduino Nano có đầy đủ các
chức năng và chương trình
có trên Arduino Uno

do cùng sử dụng MCU
ATmega328P. Nhờ việc sử
dụng IC dán của
ATmega328P thay vì IC
chân cắm nên Arduino Nano
có thêm 2 chân Analog so
với Arduino Uno.

1.2.
1.2.1.

Các chân và cách nối mạch của từng thiết bị
Cảm biến siêu âm HC-SR04
Bảng 3. Cách nối mạch HC-SR04 và Arduino
HC-SR04

1.2.2.

Arduino

Nguồn(5V)

GND

GND(-)

5V

5V(+)

Trigger

10

Echo

11

Còi Buzzer
Bảng 4. Cách nối còi buzzer và Arduino
Còi buzzer

Arduino

Nguồn

9


Gậy thông minh hỗ trợ người khiếm thị

TS. Trần Thế Vũ

GND

GND(-)

5V

1.2.3.

12

Module SIM800A
Bảng 5. Cách nối mạch module SIM800A và Arduino
SIM800A

1.2.4.

Arduino

Nguồn

GND

GND(-)

Battery

5V(+)

TX

2

RX

3

Module GPS NEO 6

Bảng 6. Cách nối mạch module GPS và Arduino

1.2.5.

GPS

Arduino

GND

GND

5V

3.3V

TX

4

RX

5

Arduino Nano
Bảng 7. Cách nối mạch relay và Arduino
Arduino

Nguồn

GND

GND

5V

5V

10


Gậy thông minh hỗ trợ người khiếm thị

TS. Trần Thế Vũ

11


Gậy thông minh hỗ trợ người khiếm thị

1.3.

TS. Trần Thế Vũ

Sơ đồ mạch điện

Hình 1.Sơ đồ mạch điện
2. Nguyên lý hoạt động phần mềm
2.1.
Nguyên lý hoạt động

1/ Khi bật công tắc khởi động, công việc đầu tiên được thực hiện chính là
import các thư viện và khai báo các biến cần thiết, sau đó khởi động Module
GPS và cảm biến siêu âm thông qua các hàm setup() trong chương trình.
2/ Tiếp theo là xác định xem module GPS có trả về được toạ độ hay
không, nếu có thì lưu toạ độ vào biến mes và khởi động module SIM, kiểm
tra tin nhắn mới chứa trong SIM, còn nếu không thì tiếp tục việc lấy toạ độ
từ module GPS.
 Các công việc này được thực hiện trong vòng lặp loop() của chương trình
chính.
3/ Hàm setupSIM() đầu tiên sẽ khởi động module SIM sau đó thực hiện
lặp 20 lần công việc có tin nhắn mới đúng với cú pháp và số điện thoại đã
12


Gậy thông minh hỗ trợ người khiếm thị

TS. Trần Thế Vũ

lưu hay không ? Nếu có thì trả lời lại toạ độ hiện tại lưu trong biến mes, nếu
không thì thực hiện các bước tiếp theo.
4/ Song song với tiến trình 2: trong hàm loop() của Arduino còn lại thì thực
hiện tính thời gian phản hồi của cảm biến siêu âm, từ đó tính toán ra khoảng
cách theo công thức khoang_cach = (thoi_gian / 2 / 29.412). Sau đó thực
hiện kiểm tra khoang_cach để chọn tần số phát âm thanh phù hợp.

Sơ đồ giải thuật bên trong Arduino Nano điều khiển SIM và GPS.
2.2.

Các thư viện/framework đã sử dụng

- Thư viện SoftwareSerial.h dùng để giả lập chân RX, TX cho arduino
- Thư viện TinyGPS++.h sử dụng cho module GPS.
- Thư viện SIM900.h sử dụng cho module SIM800A.
- Thư viện EEPROM.h sử dụng cho cảm biến siêu âm.
V. Kê khai linh kiện và chi phí
13


Gậy thông minh hỗ trợ người khiếm thị

Stt
1
2
3
4
5

Tên thiết bị
SL
Đơn giá
Arduino Nano
2
75
Module SIM800A
1
250
Module GPS NEO 6
1
350
Cảm biến siêu âm

1
25
Còi buzzer
1
5
Tổng tiền:
Bảng 3. Kê khai linh kiện

TS. Trần Thế Vũ

Thành tiền
150k
250k
300k
25k
5k
630k

VI. Đánh giá hệ thống
1. Độ ổn định và chính xác
-

Tùy thuộc vào nhiều yếu tố để quyết định độ ổn định, tính chính xác
của thiết bị mà yếu tố tác động chính đó chính là sự chính xác của
cảm biến siêu bởi vì các chế độ tự động đều dựa trên hoạt động của
các cảm biến này. Cảm biến HC-SR04 là loại giá thành rẻ nên hoạt
động không ổn định, chập chờn.

-

Yếu tố lớn thứ hai để quyết định độ ổn định, tính chính xác của hệ
thống là cài đặt thuật toán. Vì module GPS rất khó để lấy được toạ độ
nên phải cài đặt thuật toán hợp lý để khi module GPS không hoạt
động thì sẽ tự động lấy toạ độ cũ trước đó để gửi về điện thoại.

2. Tốc độ thực thi
- Hệ thống xử lý bằng cảm biến siêu âm hoạt động nhanh, ổn định.
- Hệ thống xử lý SMS bằng module SIM và GPS thì hoạt động chậm
hơn vì các module này thường khởi động rất lâu và rất dễ bị xung đột.
3. Ưu điểm
-

Sử dụng arduino Nano nên mạch nhỏ gọn phù hợp với việc học tập và
nghiên cứu về vi điều khiển và ứng dụng của nó vào đời sống hằng
ngày.

-

Linh kiện phổ biến, dễ dàng có thể thực hiện việc mô phỏng.

-

Sử dụng pin có thể sạc lại hằng ngày sau khi sử dụng.
14


Gậy thông minh hỗ trợ người khiếm thị

TS. Trần Thế Vũ

4. Nhược điểm
-

Mạch đồ án thực hiện sử dụng cảm biến siêu âm giá rẻ nên ko ổn
định, module GPS phải chọn nơi thoáng đãng để lấy đc toạ độ.

5. Tính thực tế
-

Sử dụng để hỗ trợ cho người khiếm thị dò đường, đỡ vất vả hơn trong
cuộc sống.

-

Giúp cho người thân của họ có thể dễ dàng định vị được vị trí của họ
để đưa sự giúp đỡ đến sớm nhất.

6. Hướng cải tiến
-

Sử dụng GPRS thay cho việc nhắn tin qua SMS.

-

Nâng cấp App Android để dễ dàng thao tác hơn.
VII. Kết luận

1. Những việc đã làm được
- Định vị vị trí người khiếm thị với module SIM và GPS
- Tính được khoảng cách lấy từ cảm biến siêu âm để từ đó phát tín hiệu

báo động cảnh báo người dùng.
2. Những việc chưa làm được
- Chức năng chỉ đường trên app chưa hoàn thành được.
- Chưa sử dụng GPRS để thay cho gửi tin nhắn bằng SMS được.

15


Gậy thông minh hỗ trợ người khiếm thị

TS. Trần Thế Vũ

16