Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại, mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network - WSN) và Internet vạn vật (IoT) đã được triển khai rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như giám sát môi trường, quân sự, y tế, giao thông và chẩn đoán thiết bị. Song song với đó, các sản phẩm quần áo thông minh (smart clothing) cũng ghi nhận nhiều bước tiến với các ứng dụng tiêu biểu trên thế giới:

  • Áo Polar Team Pro: Tích hợp các điểm đo nhịp tim ở mặt trước và túi chứa cảm biến GPS ở mặt sau, cho phép theo dõi chuyển động, đo nhịp tim theo thời gian thực và truyền dữ liệu phục vụ công tác huấn luyện vận động viên.
  • Quần Lumo: Tích hợp cảm biến theo dõi các thông số vận động (nhịp chạy, thời gian tiếp xúc mặt đất, góc xoay xương chậu, chiều dài sải chân) và phản hồi qua tai nghe nhằm cải thiện tư thế chạy, hạn chế chấn thương.
  • Bikini thông minh Spinali Design (bộ sưu tập Neviano UV Protect): Tích hợp cảm biến chống nước đo nhiệt độ môi trường, kết nối với ứng dụng trên hệ điều hành iOS hoặc Android để đưa ra cảnh báo thời gian tiếp xúc với ánh nắng mặt trời.

Tại Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ cao vào lĩnh vực thể thao nói chung và thể thao đối kháng (võ thuật) nói riêng còn hạn chế. Trong thi đấu võ thuật, phương pháp chấm điểm truyền thống hoàn toàn phụ thuộc vào mắt thường của ban giám khảo, dễ dẫn đến những sai lệch và thiếu tính chính xác. Xuất phát từ thực tế đó, đồ án tốt nghiệp tập trung nghiên cứu, thiết kế thiết bị mang tên "Áo giáp thông minh cho thi đấu võ thuật" nhằm tự động hóa việc tính toán, hiển thị và lưu trữ điểm số của các đấu sĩ trực tiếp tại sàn đấu và trên máy tính.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Tự thiết kế và xây dựng mô hình áo giáp có khả năng tính điểm trong thi đấu võ thuật.
  2. Nắm vững phần mềm lập trình và xây dựng chương trình điều khiển cho vi điều khiển PIC.
  3. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của module thu phát sóng vô tuyến RF 315MHz và cặp IC mã hóa/giải mã PT2262/PT2272-M4.
  4. Nắm vững nguyên lý hoạt động của IC chuyển đổi giao tiếp PL2303 để truyền dữ liệu nối tiếp về máy tính.
  5. Xây dựng giao diện đồ họa người dùng (GUI) trên môi trường Microsoft Visual Studio 2012 để tiếp nhận, hiển thị và lưu trữ dữ liệu điểm số của trận đấu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến RF tần số 315MHz, vi điều khiển PIC16F877A, giao diện phần mềm Visual Studio và hệ thống tính toán, thống kê, lưu trữ điểm số thi đấu.
  • Phạm vi và giới hạn: Đề tài dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm, sử dụng các module phần cứng có sẵn trên thị trường, chưa tập trung vào tính thương mại hóa; hệ thống sử dụng các nút nhấn cơ học đóng vai trò mô phỏng các node cảm nhận lực trên áo giáp và chưa tự động hóa hoàn toàn mà vẫn cần sự tương tác trực tiếp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết chuyên ngành

  • Tổng quan môn võ Karate và luật tính điểm: Karate là môn võ thuật truyền thống xuất xứ từ vùng Okinawa (Nhật Bản), phát triển trên cơ sở tổng hợp phương thức chiến đấu của người Ryukyu với các môn võ phía Nam Trung Quốc. Kỹ thuật Karate tập trung vào đấm, đá, đánh cùi chỏ, đầu gối, đánh bằng bàn tay mở và kỹ thuật kime (tập trung lực toàn thân tại thời điểm tác động). Trong thi đấu đối kháng, tiêu chuẩn ghi điểm dựa trên 6 quy định: đòn thế đẹp, tinh thần thể thao, sức mạnh, ý chí phòng thủ, đúng thời điểm và cự ly chuẩn. Thang điểm quy định gồm: 3 điểm (đòn đá vào mặt, đòn quật ngã), 2 điểm (đòn đá vào bụng và lưng), 1 điểm (đòn đánh vào hai cạnh sườn).
  • Lý thuyết truyền thông vô tuyến tần số sóng RF 315MHz: Nghiên cứu tín hiệu vô tuyến tần số 315MHz (chu kỳ dao động $315 \times 10^6$ Hz) và ba phương thức liên lạc cơ bản: đơn công (Simplex), bán song công (Half-duplex) và song công (Full-duplex - sử dụng bộ điều hướng circulator để tách biệt tín hiệu phát Tx và thu Rx trên cùng anten).
  • Nền tảng Microsoft Visual Studio: Sử dụng môi trường phát triển tích hợp (IDE) của Microsoft, khai thác công cụ WinForms Designer để tạo giao diện đồ họa tương tác (GUI) với các điều khiển hiển thị, quản lý cổng nối tiếp (SerialPort) phục vụ kết nối dữ liệu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp thiết kế phần cứng điện tử: Phân tích sơ đồ khối, xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch điện tử, thiết kế và thi công mạch in (PCB) cho khối phát và khối thu điều khiển trung tâm.
  • Phương pháp lập trình hệ thống nhúng: Sử dụng ngôn ngữ C trên trình biên dịch CCS C để lập trình cho vi điều khiển PIC16F877A, cấu hình ngắt Timer1 để tính toán thời gian thi đấu và thiết lập truyền thông nối tiếp UART với tốc độ baud 9600 bps.
  • Phương pháp lập trình phần mềm giao diện: Sử dụng ngôn ngữ C# trên nền tảng .NET Framework (Visual Studio 2012) để xây dựng ứng dụng WinForms tiếp nhận chuỗi dữ liệu từ cổng COM, phân tách chuỗi ký tự và lưu trữ điểm số.
  • Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp các khối chức năng, kiểm thử khả năng thu phát không dây, kiểm tra độ nhạy của các node nút nhấn và đo đạc khả năng lưu trữ dữ liệu thời gian thực.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc sơ đồ khối hệ thống

Hệ thống tính điểm áo giáp thông minh được phân chia thành 5 khối chức năng chính:

Khối chức năng Thành phần phần cứng Nhiệm vụ chính
Khối phát (Tx) Node nút nhấn, IC PT2262, anten RF 315MHz Nhận tín hiệu từ nút nhấn trên áo giáp, mã hóa dữ liệu và phát sóng vô tuyến RF ra không gian.
Khối thu (Rx) Module thu RF 315MHz, IC PT2272-M4 Thu nhận sóng vô tuyến, giải mã tín hiệu và truyền dữ liệu số sang khối điều khiển trung tâm.
Khối điều khiển Vi điều khiển PIC16F877A (thạch anh 20MHz) Tiếp nhận tín hiệu từ khối thu, xử lý logic điểm số, điều khiển đếm thời gian trận đấu, xuất dữ liệu ra LCD và gửi chuỗi dữ liệu qua UART.
Khối hiển thị & lưu trữ Màn hình LCD 16x2, IC chuyển đổi PL2303, phần mềm Visual Studio Hiển thị điểm số tại sàn đấu qua LCD; truyền dữ liệu qua cổng COM ảo về máy tính để hiển thị trên giao diện GUI và lưu file.
Khối nguồn Nguồn cấp từ cổng USB máy tính (5V - 2.1A) Cung cấp mức điện áp 5V DC chung cho toàn bộ mạch điều khiển, khối thu và màn hình hiển thị.

Thông số kỹ thuật của các khối phần cứng

Khối / Thiết bị Thông số kỹ thuật Giá trị trong đồ án
Bộ phát RF (PT2262) Điện áp hoạt động 3V - 12V DC
Dòng điện hoạt động 9mA - 40mA
Kiểu cộng hưởng SAW
Kiểu điều chế ASK
Công suất phát 14 dBm
Sai số tần số tối đa 150 kHz
Tốc độ truyền tin 10 Kb/s
Bộ thu RF (PT2272-M4) Điện áp hoạt động 5V DC (sai số 0.5V)
Dòng điện làm việc tối đa 5.5 mA
Kiểu giải điều chế OOK / ASK
Băng thông 2 MHz
Khung truyền/nhận dữ liệu Tiền tố nhận dạng 3 byte 0xFF
Bit Start / Bit Stop Bit Start: 4ms / Bit Stop: 6ms
Mã hóa logic chống nhiễu Bit 1 mã hóa thành chuỗi 10; Bit 0 mã hóa thành chuỗi 01
Vi điều khiển PIC16F877A Tần số thạch anh 20 MHz (Fuses HS)
Cấu hình truyền thông nối tiếp RS-232 / UART: Baudrate 9600 bps, Parity None, 8 Data bits (TX: PIN_C6, RX: PIN_C7)
Chế độ giao tiếp LCD Chuẩn 4-bit (Data: PIN_D4 - PIN_D7; Control: RS PIN_B4, RW PIN_B3, EN PIN_B2)

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Nội dung chương trình bày khái quát về sự phát triển của mạng cảm biến không dây WSN và IoT trong đời sống hiện đại. Tác giả khảo cứu ba sản phẩm công nghệ tiêu biểu gồm áo nén Polar Team Pro, quần chạy bộ thông minh Lumo Run và bộ đồ bơi Neviano UV Protect của hãng thời trang Spinali Design. Chương 1 phân tích tính cấp thiết của việc khắc phục các hạn chế trong khâu chấm điểm bằng mắt thường tại các giải đấu võ thuật, nêu rõ mục tiêu tự thiết kế mô hình áo giáp thông minh, xác định đối tượng nghiên cứu tập trung vào vi điều khiển PIC16F877A, module RF 315MHz, giao tiếp PL2303 và phần mềm Visual Studio 2012, đồng thời xác lập giới hạn phạm vi nghiên cứu thực nghiệm.

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 cung cấp hệ thống lý thuyết nền tảng phục vụ cho việc thực hiện đồ án, chia làm ba nội dung:

  • Tổng quan môn võ Karate: Giới thiệu lịch sử hình thành môn võ tại Okinawa qua 4 giả thiết (điệu múa vùng Lưu Cầu do Asato Anko đưa ra; nhóm người Hoa Phúc Kiến di cư sang thôn Kuninda; giao lưu thương mại hàng hải; môn vật Shima). Trình bày 6 tiêu chuẩn ăn điểm và thang điểm thi đấu đối kháng (3 điểm, 2 điểm, 1 điểm).
  • Tổng quan truyền sóng RF 315MHz: Định nghĩa sóng vô tuyến tần số 315MHz và phân tích chi tiết sơ đồ nguyên lý của ba phương thức truyền thông: Simplex (đơn công), Half-duplex (bán song công) và Full-duplex (song công sử dụng bộ điều hướng circulator).
  • Tổng quan Microsoft Visual Studio: Trình bày cấu trúc của một môi trường phát triển tích hợp (trình soạn thảo mã, trình biên dịch/thông dịch, công cụ gỡ lỗi debugger, hệ thống quản lý phiên bản) và công cụ WinForms Designer được ứng dụng để xây dựng giao diện tiếp nhận dữ liệu.

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

Chương 3 trình bày chi tiết sơ đồ khối toàn hệ thống và nguyên lý hoạt động của từng khối chức năng. Tác giả đưa ra các bảng thông số kỹ thuật chi tiết của module phát PT2262 và module thu PT2272-M4, cấu trúc khung truyền dữ liệu không dây (3 byte 0xFF, bit Start 4ms, mảng dữ liệu, bit Stop 6ms) cùng phương pháp mã hóa bit kép (Bit 1 thành 10, Bit 0 thành 01) để chống nhiễu trên đường truyền. Chương này cũng làm rõ việc lựa chọn vi điều khiển PIC16F877A, giải pháp cấp nguồn 5V - 2.1A từ cổng USB máy tính xách tay và xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển chi tiết cho toàn hệ thống.

CHƯƠNG 4. THI CÔNG PHẦN CỨNG

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình hiện thực hóa mô hình thực nghiệm:

  • Mạch nguyên lý và mạch in PCB: Trình bày bản vẽ sơ đồ nguyên lý, thiết kế layout mạch in PCB và hình ảnh thi công mạch in thực tế của khối thu - hiển thị.
  • Lắp ráp phần cứng hoàn chỉnh: Tích hợp module thu PT2272-M4, vi điều khiển PIC16F877A, màn hình LCD và cáp chuyển đổi USB-UART PL2303 lấy nguồn trực tiếp từ máy tính.
  • Xây dựng giao diện Visual Studio: Thiết kế giao diện WinForms gồm hộp chọn cổng COM, nút KẾT NỐI / NGẮT KẾT NỐI, các khung hiển thị điểm tổng và điểm thành phần của hai đấu sĩ theo thời gian thực, nút LƯU ĐIỂM TỔNG và nút LƯU ĐIỂM THÀNH PHẦN ghi nhận dữ liệu vào bộ nhớ máy tính.

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN

Chương cuối cùng tổng kết kết quả vận hành của mô hình áo giáp thông minh:

  • Ưu điểm: Bộ phận tính điểm và truyền phát sóng RF 315MHz hoạt động ổn định; độ nhạy các node bấm tốt; cự ly truyền sóng đáp ứng yêu cầu trong khuôn khổ một sàn đấu võ; hiển thị đồng bộ trên LCD và giao diện máy tính; giảm thiểu phụ thuộc vào yếu tố cảm tính của giám khảo; chi phí linh kiện thấp.
  • Nhược điểm: Hệ thống còn sử dụng nút nhấn cơ học; cách bố trí dây điện gắn trên áo chưa tối ưu; băng tần RF 315MHz bị giới hạn số lượng kênh mở rộng.
  • Hướng phát triển: Kết nối hệ thống với mạng Internet để truyền tải dữ liệu lên trang Web cho khán giả theo dõi từ xa; thay thế nút nhấn bằng các cảm biến đo lực chuyên dụng; thiết kế lại hệ thống dây dẫn theo cấu trúc lưới giảm chấn trên áo giáp.

PHỤ LỤC A VÀ PHỤ LỤC B (MÃ NGUỒN CHƯƠNG TRÌNH)

  • Phụ lục A: Cung cấp toàn bộ mã nguồn viết bằng ngôn ngữ C cho vi điều khiển PIC16F877A (trình biên dịch CCS C). Bao gồm chương trình phục vụ ngắt Timer1 (INTERRUPT_TIMER1) để đếm thời gian, các hàm quét phím cài đặt thời gian (phim_chon, phim_tang, phim_giam, phim_start), hàm giải mã hiển thị LCD (giaima, nhap_nhay), các hàm xử lý nút ghi điểm cho đấu sĩ A (nut_so1a đến nut_so6a) và đấu sĩ B (nut_so1b đến nut_so6b) cùng giao thức truyền chuỗi định dạng qua lệnh printf ra UART.
  • Phụ lục B: Cung cấp mã nguồn C# xây dựng giao diện đồ họa InterfacePC trên nền tảng WinForms. Bao gồm cấu hình đối tượng SerialPort UART, hàm quét danh sách cổng COM (_KhoiTao), thủ tục mở/đóng cổng COM (btnKetNoi_Click, btnNgatKetNoi_Click), hàm xử lý sự kiện nhận dữ liệu nối tiếp (UART_DataReceived) và chức năng lưu file điểm số.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính của đề tài

  • Thiết kế và chế tạo thành công mô hình phần cứng áo giáp thông minh và khối thu trung tâm sử dụng vi điều khiển PIC16F877A kết hợp cặp module vô tuyến RF 315MHz (PT2262/PT2272-M4).
  • Hiện thực hóa thuật toán mã hóa bit chống nhiễu (Bit 1 thành 10, Bit 0 thành 01) và cấu trúc khung truyền không dây có tiền tố định danh 3 byte 0xFF cùng các bit Start (4ms), bit Stop (6ms).
  • Lập trình điều khiển chính xác các mức cộng điểm của môn Karate cho hai đấu sĩ A và B: mức 1 điểm (đòn đánh sườn), mức 3 điểm (đòn đá mặt/quật ngã), mức 4 điểm và lệnh reset điểm về 0.
  • Xây dựng hệ thống đếm lùi thời gian thi đấu tự động thông qua ngắt Timer1 của vi điều khiển, hiển thị trực tiếp lên màn hình LCD 16x2.
  • Thiết lập đường truyền nối tiếp qua cáp PL2303 với tốc độ 9600 bps, kết nối với phần mềm Visual Studio 2012 để hiển thị trực quan và lưu trữ thành công điểm tổng cùng điểm thành phần kèm mốc thời gian thi đấu.

Đóng góp thực tiễn và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất mô hình ứng dụng công nghệ mạng không dây chi phí thấp vào công tác trọng tài và giám sát thi đấu thể thao đối kháng tại Việt Nam, giảm sự lệ thuộc vào cảm tính của giám khảo.
  • Đưa ra giải pháp cấp nguồn đồng bộ 5V - 2.1A từ cổng USB máy tính xách tay, vừa nuôi nguồn cho toàn bộ hệ thống mạch thu, vừa đóng vai trò trung chuyển dữ liệu nối tiếp về phần mềm máy tính.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Hệ thống node cảm nhận va chạm trên áo giáp thực tế vẫn sử dụng nút nhấn cơ học, chưa thể hiện chính xác lực tác động thực tế của đòn đánh.
  • Hệ thống dây điện đi ngầm trên áo giáp chưa được tối ưu hóa về mặt cơ học, có thể gây vướng víu trong quá trình vận động.
  • Băng tần truyền sóng RF 315MHz của module PT2262/PT2272-M4 bị giới hạn về số lượng kênh truyền, khó mở rộng khi cần tích hợp nhiều vị trí cảm biến độc lập.

Hướng nghiên cứu mở rộng

  • Tích hợp cảm biến lực chuyên dụng (như cảm biến áp lực) thay thế cho nút nhấn để đo lường chính xác mức độ công phá của từng đòn đánh.
  • Tối ưu hóa đường đi dây trên áo giáp thành cấu trúc dạng tấm lưới nhằm giảm thiểu xung lực cơ học tác động lên hệ thống dây dẫn.
  • Mở rộng kết nối hệ thống với mạng Internet (IoT Web server) để truyền tải trực tiếp diễn biến điểm số và thời gian trận đấu lên nền tảng Web cho khán giả theo dõi từ xa.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho sinh viên, học viên và cán bộ kỹ thuật thuộc các chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính, Hệ thống Nhúng & IoT, và Cơ điện tử.

Các nội dung có giá trị tham khảo và ứng dụng thực tế cao gồm:

  • Sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch in kết nối vi điều khiển PIC16F877A với các module truyền nhận vô tuyến RF 315MHz.
  • Thuật toán mã hóa khung truyền dữ liệu và kỹ thuật chống nhiễu tín hiệu không dây cho các hệ thống điều khiển từ xa.
  • Mã nguồn mẫu viết bằng ngôn ngữ C (trình biên dịch CCS C) quản lý ngắt Timer1 định thời gian, giao tiếp LCD chế độ 4-bit và truyền thông UART.
  • Mã nguồn mẫu viết bằng ngôn ngữ C# (.NET WinForms) xây dựng giao diện điều khiển máy tính, giao tiếp với cổng nối tiếp (SerialPort) để thu thập và lưu trữ dữ liệu thời gian thực.

Câu hỏi thường gặp

1. Khối điều khiển trung tâm và khối truyền dẫn không dây trong đồ án sử dụng các linh kiện chính nào?
Khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển PIC16F877A với thạch anh dao động ngoài tần số 20MHz. Khối truyền dẫn không dây sử dụng module phát sóng RF tần số 315MHz tích hợp IC mã hóa PT2262 và module thu RF tần số 315MHz tích hợp IC giải mã PT2272-M4.

2. Khung truyền dữ liệu không dây giữa khối phát và khối thu được cấu hình với các thông số kỹ thuật nào?
Khung dữ liệu bắt đầu bằng việc gửi 3 byte tiền tố 0xFF, tiếp theo là 1 bit Start có độ rộng xung 4ms để bắt đầu mã hóa, kế tiếp là mảng dữ liệu điểm số, và kết thúc bằng 1 bit Stop có độ rộng xung 6ms. Để chống nhiễu, tác giả áp dụng quy tắc mã hóa bit: Bit 1 được mã hóa thành 10 và Bit 0 được mã hóa thành 01.

3. Khối thu truyền dữ liệu lên máy tính bằng phương thức nào và cấu hình truyền thông ra sao?
Dữ liệu được truyền từ chân TX (PIN_C6) của vi điều khiển PIC16F877A qua cáp chuyển đổi USB-to-UART sử dụng IC PL2303 về máy tính. Cấu hình truyền thông nối tiếp RS-232 được thiết lập ở tốc độ baudrate 9600 bps, 8 bit dữ liệu, không sử dụng bit chẵn lẻ (Parity None).

4. Thang điểm và các nút chức năng của môn võ Karate được cài đặt trong mã nguồn vi điều khiển như thế nào?
Hệ thống cài đặt các hàm quét phím cho hai đấu sĩ A và B tương ứng với các mức điểm: nut_so1 và nut_so2 cộng 3 điểm (mô phỏng đòn đá vào mặt hoặc quật ngã), nut_so3 và nut_so4 cộng 1 điểm (đòn đánh vào cạnh sườn), nut_so5 cộng 4 điểm và nut_so6 thực hiện reset điểm số về 0.

5. Khối mạch thu và hiển thị tại sàn đấu lấy nguồn điện hoạt động từ đâu?
Toàn bộ khối mạch thu, vi điều khiển PIC16F877A và màn hình LCD lấy nguồn điện trực tiếp từ cổng USB của máy tính xách tay với mức điện áp 5V DC và dòng điện định mức 2.1A thông qua cáp kết nối PL2303.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình thực nghiệm áo giáp thông minh phục vụ tính điểm trong thi đấu võ thuật Karate. Hệ thống vận hành dựa trên sự phối hợp giữa vi điều khiển PIC16F877A, module thu phát vô tuyến RF 315MHz và giao diện quản lý trên nền tảng Visual Studio 2012. Kết quả nghiên cứu đã hiện thực hóa giải pháp tự động hóa ghi nhận điểm số, đếm thời gian thi đấu và lưu trữ dữ liệu với chi phí phần cứng thấp, đồng thời cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết về thiết kế mạch nhúng và lập trình giao tiếp máy tính cho các đề tài ứng dụng IoT thể thao.