Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Theo số liệu thống kê được tác giả trích dẫn về trẻ khuyết tật lứa tuổi 2–17 giai đoạn 2016–2017 tại Việt Nam, người khuyết tật chiếm 2,79% dân số trong độ tuổi, trong đó tỷ lệ người có khiếm khuyết về giọng nói chiếm 0,62%. Nhóm đối tượng câm gặp nhiều trở ngại trong sinh hoạt và hòa nhập xã hội do không thể giao tiếp bằng lời nói với cộng đồng xung quanh. Hầu hết người bình thường không hiểu được ngôn ngữ ký hiệu (thủ ngữ), dẫn đến rào cản thông tin hai chiều.

Bên cạnh đó, tác giả chỉ ra rằng xu hướng phát triển thiết bị hỗ trợ hiện nay đòi hỏi sự linh hoạt và tính di động cao. Việc sử dụng dây dẫn kết nối vật lý giữa hai tay hoặc giữa thiết bị thu nhận với bộ phát tạo ra nhiều vướng víu trong quá trình cử động. Các công nghệ truyền thông không dây tầm ngắn như sóng vô tuyến RF, Wifi và đặc biệt là Bluetooth trở thành giải pháp kỹ thuật tối ưu nhằm thay thế dây cáp, đảm bảo sự độc lập cho từng bộ phận điều khiển trên cơ thể.

Trước khi triển khai, đề tài đã tiến hành khảo sát các công trình liên quan gồm:

  • Nghiên cứu của Đinh Quang Hiệp và Võ Tân Phước: ứng dụng vi điều khiển PIC18F4620 kết nối Bluetooth HC-05 điều khiển thiết bị điện qua hệ điều hành Android.
  • Nghiên cứu của Phạm Ngọc Tùng: sử dụng bo mạch Arduino Uno giao tiếp Bluetooth điều khiển robot hút bụi.
  • Dự án "Găng tay thông minh dành cho người khiếm thị" của Lê Ngô Duy Phong (THPT Phú Bài, Thừa Thiên - Huế): sử dụng vi điều khiển Arduino kết hợp cảnh báo còi và rung.
  • Các tài liệu quốc tế: "Smart Deaf-Mute Glove" (Mana Lubbadeh, Aya Shashtari, 2017) và "Flex Sensor Based Hand Glove for Deaf and Mute People" (Abdullah Al Mamun, Md Sarwar Jahan Khan Polash, Fakir Mashuque Alamgir, 2017).

Từ cơ sở khảo sát đó, nhóm tác giả xác định mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế và thi công hệ thống đôi găng tay hỗ trợ giao tiếp dành cho người câm, có khả năng nhận diện cử chỉ theo ngôn ngữ ký hiệu từ hai bàn tay thông qua cảm biến uốn cong và cảm biến gia tốc, sau đó chuyển đổi và phát ra các câu nói tiếng Việt tương ứng thông qua mô-đun âm thanh tích hợp loa dưới sự điều khiển của bo mạch vi điều khiển Arduino Nano.

Nhiệm vụ nghiên cứu (gồm 9 nội dung đánh số theo văn bản):

  1. Tham khảo tài liệu, đọc và tóm tắt tài liệu để đưa ra các hướng đề tài.
  2. Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý.
  3. Kết nối hai mô-đun Bluetooth HC-05 và HC-06.
  4. Thiết kế, tính toán, kết nối Arduino với cảm biến uốn cong (Flex sensor), cảm biến gia tốc (ADXL335), mô-đun Bluetooth (HC-05, HC-06), mô-đun DFPlayer Mini và loa.
  5. Thiết kế, xây dựng phần cứng, thi công mạch điều khiển.
  6. Viết chương trình điều khiển cho hai bo mạch điều khiển trên bàn tay trái và bàn tay phải.
  7. Chạy thử, kiểm tra, đánh giá và hiệu chỉnh.
  8. Viết báo cáo thực hiện.
  9. Bảo vệ luận văn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thiết bị đeo tay chuyển đổi ngôn ngữ cử chỉ thành tín hiệu giọng nói.
  • Giới hạn hệ thống:
    • Chỉ áp dụng đối với người câm không bị điếc (người dùng vẫn nghe được âm thanh phản hồi từ thiết bị).
    • Sử dụng loa có công suất tối đa dưới 3W (cụ thể chọn loa 1W, trở kháng 8Ω).
    • Số lượng cử chỉ chuyển đổi tối đa: 10 cử chỉ tay.
    • Ngôn ngữ xuất âm thanh: Tiếng Việt.
    • Phạm vi truyền nhận không dây giữa hai mô-đun Bluetooth: Dưới 10m.
  • Thời gian và địa điểm thực hiện: Từ ngày 24/02/2022 đến ngày 15/06/2022 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y Sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh, kết hợp giữa kỹ thuật điện tử nhúng và ngôn ngữ ký hiệu học.

Cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

  1. Ngôn ngữ ký hiệu của người câm: Hệ thống cử chỉ được nhóm nghiên cứu đối chiếu từ bảng chữ cái thủ ngữ tiếng Việt, tài liệu hướng dẫn của Trung tâm Đào tạo Ngôn ngữ ký hiệu Hà Nội và Từ điển ngôn ngữ ký hiệu. Các cử chỉ giao tiếp thông dụng tại ba miền Bắc, Trung, Nam có sự tương đồng lớn ở các câu chào hỏi và xưng hô cơ bản.

  2. Cảm biến uốn cong (Flex Sensor): Đề tài lựa chọn cảm biến Flex điện trở carbon kích thước 8 cm × 0,6 cm. Khi ở trạng thái thẳng (phẳng), điện trở danh định là 25 kΩ; khi bị uốn cong, dải điện trở biến thiên trong khoảng 45 kΩ đến 125 kΩ. Cảm biến hoạt động ở mức điện áp 0–5V, công suất tối đa 1W, độ bền uốn 1 triệu chu kỳ, dải nhiệt độ làm việc từ -45°C đến 80°C.

  3. Cảm biến gia tốc 3 trục ADXL335: Sử dụng vi cơ điện tử MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) đo gia tốc theo 3 trục không gian X, Y, Z. Cấu trúc polysilicon treo tạo sự thay đổi điện dung khi có chuyển động hoặc thay đổi góc nghiêng trọng trường, chuyển đổi thành điện áp đầu ra tương tự (Analog). Điện áp hoạt động 3–5V, dòng điện tiêu thụ 0,35 mA, nhiệt độ làm việc từ -40°C đến 85°C.

  4. Bo mạch vi điều khiển Arduino Nano: Trang bị vi điều khiển ATmega328P, hoạt động ở điện áp 5V, dòng tải ngõ ra tối đa 500mA. Bo mạch cung cấp 8 chân đầu vào tương tự (A0–A7) và các chân tín hiệu số (D2–D13), đáp ứng yêu cầu đọc cùng lúc 5 ngõ ra analog từ cảm biến uốn cong và 3 ngõ ra analog từ cảm biến gia tốc.

  5. Mô-đun phát âm thanh DFPlayer Mini: Mô-đun giải mã âm thanh định dạng MP3 tích hợp bộ khuếch đại (Amply) công suất nhỏ, điện áp 3,2–5V, dòng hoạt động 20 mA. Giao tiếp với vi điều khiển thông qua chuẩn UART (chân TX, RX), hỗ trợ thẻ nhớ chuẩn MicroSDHC dung lượng tối đa 32GB (đồ án sử dụng thẻ nhớ dung lượng 4GB), hỗ trợ 30 mức âm lượng.

  6. Mô-đun truyền thông không dây Bluetooth:

    • Mô-đun HC-05: Đóng vai trò Master (phát dữ liệu) trên tay trái, hoạt động ở điện áp 3,3V, dòng ghép nối 30 mA, khoảng cách làm việc dưới 10m.
    • Mô-đun HC-06: Đóng vai trò Slave (thu dữ liệu) trên tay phải, hoạt động ở điện áp 3,3V, dòng ghép nối 30 mA, nhận tín hiệu qua giao tiếp nối tiếp Serial.

  7. Mạch hạ áp LM2596: Mạch nguồn hạ áp DC-DC dải ngõ vào đến 40V, ngõ ra điều chỉnh từ 1,2V đến 37V, dòng tải định mức 3A, dòng tiêu thụ nội 0,08 mA, đảm bảo hạ điện áp từ khối pin 7,4V xuống mức 5V ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp thu thập và phân tích tài liệu: Tổng hợp quy chuẩn cử chỉ thủ ngữ và khảo sát các giải pháp phần cứng thu thập cử chỉ tay trong và ngoài nước.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế mạch điện tử: Tính toán các mạch phân áp cho cảm biến uốn cong và mạch thích ứng mức logic 3,3V cho cổng nạp/nhận tín hiệu của mô-đun Bluetooth; tính toán công suất tiêu thụ toàn mạch và dung lượng nguồn cấp.
  • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Thiết kế mạch in một lớp bằng phần mềm Proteus; lập trình điều khiển nhúng trên môi trường Arduino IDE; gắn cảm biến thực tế lên bề mặt găng tay và đo đạc thông số điện áp tương ứng với các góc gập của ngón tay.
  • Phương pháp kiểm thử và hiệu chỉnh: Thực hiện lặp lại các cử chỉ theo từng nhóm từ đơn đến câu phức, tinh chỉnh ngưỡng điện áp trong giải thuật so sánh để giảm thiểu tỷ lệ nhận diện sai.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc phân khối hệ thống

Hệ thống được tổ chức thành 5 khối chức năng chính phân bổ trên hai bàn tay:

  • Khối nguồn: Cung cấp năng lượng độc lập cho từng bàn tay, bao gồm 2 viên pin cell 18650 mắc nối tiếp (điện áp 7,4V) đi qua mạch hạ áp LM2596 để cấp nguồn 5V ổn định cho toàn hệ thống.
  • Khối điều khiển: Gồm 2 bo mạch Arduino Nano:
    • Khối điều khiển 2 (tay trái): Thu nhận dữ liệu từ cảm biến tay trái, xử lý và truyền qua mô-đun HC-05.
    • Khối điều khiển 1 (tay phải): Thu nhận tín hiệu từ cảm biến tay phải, đồng thời nhận dữ liệu không dây từ mô-đun HC-06, kết hợp thuật toán giải mã để điều khiển khối phát âm thanh.
  • Khối cảm biến: Mỗi bàn tay sử dụng 5 cảm biến uốn cong Flex (gắn dọc theo 5 ngón tay) và 1 cảm biến gia tốc ADXL335 (gắn tại đầu ngón trỏ để xác định hướng nghiêng của bàn tay).
  • Khối giao tiếp không dây: Gồm mô-đun Bluetooth HC-05 (Master) trên tay trái và Bluetooth HC-06 (Slave) trên tay phải.
  • Khối phát âm thanh: Nằm hoàn toàn trên bàn tay phải, bao gồm mô-đun DFPlayer Mini kết nối trực tiếp với 1 loa công suất 1W, trở kháng 8Ω.

Tính toán mạch ghép nối và thiết lập tham số

1. Mạch chia áp cảm biến uốn cong

Cảm biến Flex biến thiên điện trở theo độ cong. Để Arduino Nano đọc được giá trị điện áp qua bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC), nhóm tác giả xây dựng mạch chia áp theo công thức:

$$V_o = V_{CC} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2}$$

Trong đó:

  • $V_{CC} = 5\text{V}$ (cấp từ Arduino Nano).
  • $R_1$ được chọn là điện trở cố định $10\text{ k}\Omega$.
  • $R_2$ là điện trở của cảm biến Flex ($R_{flex}$).

Một đầu của cảm biến Flex nối Mass (GND). Đầu còn lại nối vào chân ngõ vào tương tự của Arduino Nano (A0 đến A4) và nối với điện trở $10\text{ k}\Omega$ kéo lên nguồn 5V.

2. Mạch chia áp bảo vệ cổng giao tiếp Bluetooth

Các mô-đun HC-05 và HC-06 hoạt động ở mức logic 3,3V. Chân phát tín hiệu TX của Arduino Nano xuất mức điện áp 5V, do đó cần mạch phân áp để hạ điện áp xuống xấp xỉ 3,4V trước khi đưa vào chân RX của mô-đun Bluetooth. Tác giả sử dụng điện trở $R_1 = 1\text{ k}\Omega$ nối tiếp từ chân vi điều khiển và $R_2 = 2,2\text{ k}\Omega$ nối xuống Mass:

$$V_o = 5\text{V} \times \frac{2,2\text{ k}\Omega}{1\text{ k}\Omega + 2,2\text{ k}\Omega} \approx 3,43\text{V}$$

3. Sơ đồ kết nối chân phần cứng

Khối linh kiện Bo mạch tay trái (Điều khiển 2) Bo mạch tay phải (Điều khiển 1) Ghi chú kết nối
Cảm biến Flex 1 – 5 Chân A0, A1, A2, A3, A4 Chân A0, A1, A2, A3, A4 Ngõ vào tín hiệu uốn ngón tay
Cảm biến ADXL335 (X, Y, Z) Chân A5, A6, A7 Chân A5, A6, A7 Đo hướng và độ nghiêng
Bluetooth HC-05 (TX, RX) Chân D3, D4 Không trang bị Khối truyền Master
Bluetooth HC-06 (TX, RX) Không trang bị Chân D4, D3 Khối nhận Slave
DFPlayer Mini (TX, RX) Không trang bị Chân D10, D11 Giao tiếp UART điều khiển file MP3
Loa (1W - 8Ω) Không trang bị Chân SPK1, SPK2 của DFPlayer Xuất âm thanh

4. Cấu hình chế độ AT cho hai mô-đun Bluetooth

Thiết lập mô-đun HC-06 (Slave):

  • AT $\rightarrow$ Trả về OK
  • AT+NAMEHC06 $\rightarrow$ Trả về OKsetname
  • AT=PSWD1234 $\rightarrow$ Trả về OKsetPIN
  • AT+BAUD6 $\rightarrow$ Cài đặt tốc độ truyền 38400 bps (trả về OK38400)

Thiết lập mô-đun HC-05 (Master):

  • AT $\rightarrow$ Trả về OK
  • AT+NAME=HC05 $\rightarrow$ Cài đặt tên thiết bị
  • AT+PSWD=1234 $\rightarrow$ Cài đặt mật khẩu kết nối
  • AT+UART=38400,0,0 $\rightarrow$ Cài đặt tốc độ truyền 38400 bps, 1 bit dừng, không kiểm tra chẵn lẻ
  • AT+RMAAD $\rightarrow$ Xóa danh sách thiết bị đã lưu
  • AT=ROLE=1 $\rightarrow$ Đặt chế độ Master
  • AT+RESET $\rightarrow$ Khởi động lại mô-đun
  • AT+CMODE=0 $\rightarrow$ Đặt chế độ kết nối địa chỉ cố định
  • AT+INQM=0,5,9 $\rightarrow$ Cấu hình thông số dò tìm thiết bị
  • AT+PAIR=0020,04,327D54 $\rightarrow$ Ghép đôi với địa chỉ MAC của HC-06
  • AT+BIND=0020,04,327D54 $\rightarrow$ Gán địa chỉ MAC nhận
  • AT+LINK=0020,04,327D54 $\rightarrow$ Thiết lập liên kết dữ liệu trực tiếp

Tính toán nguồn năng lượng và thời gian hoạt động

Thời gian sử dụng pin của hệ thống được tính toán theo công thức:

$$T_0 = \frac{A \times \lambda}{I}$$

Trong đó:

  • $T_0$: Thời gian hoạt động liên tục của thiết bị (giờ).
  • $A$: Dung lượng định mức của bộ nguồn pin (mAh).
  • $\lambda$: Hệ số suy hao và tuổi thọ pin (tác giả lấy hệ số 0,7).
  • $I$: Tổng dòng tải tiêu thụ toàn mạch (mA).
Thông số tiêu thụ Bo mạch tay phải (Tay chính) Bo mạch tay trái (Tay phụ)
Cấu hình nguồn cấp 2 pin 18650 (7,4V) qua LM2596 hạ về 5V; dung lượng danh định tính toán: 5200 mAh 2 pin 18650 (7,4V) qua LM2596 hạ về 5V; dung lượng danh định: 2600 mAh
Dòng tải Arduino Nano 320 mA 320 mA
Dòng tải DFPlayer Mini 20 mA Không trang bị
Dòng tải Loa (1W - 8Ω) 200 mA Không trang bị
Dòng tải 5 cảm biến Flex 10 mA 10 mA
Dòng tải ADXL335 0,35 mA 0,35 mA
Dòng tải Bluetooth 30 mA (HC-06 ở mức 3,3V) 30 mA (HC-05 ở mức 3,3V)
Dòng tĩnh LM2596 0,08 mA 0,08 mA
Tổng dòng tiêu thụ ($I$) 580,43 mA 360,43 mA
Công suất tiêu thụ nguồn 5V $5\text{V} \times 550,43\text{mA} = 2752,15\text{ mW}$ $5\text{V} \times 330,43\text{mA} = 1652,15\text{ mW}$
Công suất tiêu thụ nguồn 3,3V $3,3\text{V} \times 30\text{mA} = 99\text{ mW}$ $3,3\text{V} \times 30\text{mA} = 99\text{ mW}$
Tổng công suất tiêu thụ ($P$) 2851,15 mW 1751,15 mW
Thời gian vận hành tính toán $T_0 = \frac{5200 \times 0,7}{580,43} \approx 6,27\text{ giờ}$ $T_0 = \frac{2600 \times 0,7}{360,43} \approx 5,05\text{ giờ}$

Phân tích cử chỉ và giải thuật nhận diện

Các cử chỉ được phân thành 3 nhóm xử lý:

  • Nhóm 1 cử chỉ: Các từ/câu đơn thực hiện trong một trạng thái cử chỉ gồm “xin chào”, “bạn”, “tôi”, “tên”, “khỏe”, “tuyệt vời”, “2”, “gặp”.
  • Nhóm 2 cử chỉ: Gồm các câu phối hợp hai trạng thái tuần tự: “rất vui được gặp bạn”, “tuổi”.
  • Nhóm 3 cử chỉ: Gồm câu phức phối hợp ba trạng thái tuần tự: “hẹn gặp lại”.
Cử chỉ mục tiêu Trạng thái uốn cong các ngón tay Cơ chế phân biệt cử chỉ trùng trạng thái ngón
Xin chào Uốn cong ngón cái, 4 ngón còn lại duỗi thẳng Phân biệt góc nghiêng bằng ADXL335
Bạn Duỗi thẳng ngón trỏ, uốn cong 4 ngón còn lại Phân biệt góc nghiêng/hướng bằng ADXL335
Tôi Duỗi thẳng ngón trỏ, uốn cong 4 ngón còn lại Phân biệt góc nghiêng/hướng bằng ADXL335
Gặp Duỗi thẳng ngón trỏ, uốn cong 4 ngón còn lại Phân biệt góc nghiêng/hướng bằng ADXL335
Tên Duỗi thẳng ngón trỏ và ngón giữa, uốn cong các ngón còn lại Phân biệt bằng ADXL335
Số 2 Duỗi thẳng ngón trỏ và ngón giữa, uốn cong các ngón còn lại Phân biệt bằng ADXL335
Khỏe Duỗi thẳng ngón cái, uốn cong 4 ngón còn lại Phân biệt bằng trạng thái cảm biến Flex
Tuyệt vời Uốn cong toàn bộ các ngón trên bàn tay Phân biệt bằng trạng thái cảm biến Flex

Quy trình thi công phần cứng

  • Gia công cảm biến trên găng: Cảm biến Flex được cố định dọc theo 5 ngón tay trên nền găng tay co giãn thông qua kỹ thuật may chỉ thủ công.
  • Chế tạo mạch in: Thiết kế sơ đồ mạch in một lớp trên phần mềm Proteus cho cả hai tay; tiến hành ủi nhiệt, ăn mòn hóa chất, khoan lỗ và hàn linh kiện hàng rào cắm cho Arduino Nano, các mô-đun Bluetooth, DFPlayer Mini và các điện trở phân áp.
  • Bố trí khối nguồn: Bộ pin 18650 đặt trong hộp bảo vệ gắn với băng đeo co giãn ở bắp tay để giảm tải trọng lượng dồn lên cổ tay; mạch LM2596 được may cố định trên thân găng tay.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài dựa trên số liệu về người khuyết tật giọng nói tại Việt Nam (chiếm 0,62% nhóm trẻ 2–17 tuổi). Tác giả so sánh ưu thế của giải pháp truyền thông không dây Bluetooth so với các kết nối có dây, tổng quan 3 công trình nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển và mô-đun Bluetooth trong nước, cùng 2 đề tài quốc tế về găng tay thủ ngữ. Từ đó, xác định rõ mục tiêu chuyển đổi ngôn ngữ ký hiệu thành giọng nói tiếng Việt, giới hạn hệ thống (chuyển đổi tối đa 10 cử chỉ, loa dưới 3W, khoảng cách kết nối dưới 10m, chỉ dùng cho người câm không điếc) và lịch trình 9 nội dung thực hiện.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày tổng quan về hệ thống ngôn ngữ ký hiệu thông qua bảng chữ cái thủ ngữ tiếng Việt. Phần tiếp theo mô tả chi tiết thông số kỹ thuật và nguyên lý làm việc của các linh kiện phần cứng được sử dụng trong đồ án: cảm biến uốn cong Flex Sensor (dải trở kháng 25–125 kΩ), cảm biến gia tốc MEMS ADXL335 ngõ ra tương tự, vi điều khiển ATmega328P trên bo Arduino Nano (8 kênh ADC, tần số 16 MHz), mô-đun phát âm thanh DFPlayer Mini (giao tiếp UART, hỗ trợ thẻ nhớ dung lượng tối đa 32GB), mô-đun Bluetooth HC-05 (hỗ trợ chế độ Master/Slave) và HC-06 (hoạt động chế độ Slave), mạch hạ áp LM2596 (dòng tải tối đa 3A) và giao diện phần mềm lập trình Arduino IDE.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 là phần trọng tâm về thiết kế kỹ thuật, bao gồm:

  • Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống gồm 5 khối chức năng.
  • Lựa chọn linh kiện thông qua các bảng so sánh tiêu chí kỹ thuật: so sánh Flex điện trở carbon ($580.000$ VNĐ, nhạy, nhỏ gọn) với Flex điện dung ($366.000$ VNĐ); so sánh ADXL335 ngõ ra tương tự ($31.000$ VNĐ) với ADXL345 ($61.000$ VNĐ); so sánh Arduino Nano (8 chân ADC, nhỏ gọn, $175.000$ VNĐ) với Arduino Uno (6 chân ADC, kích thước lớn, $250.000$ VNĐ).
  • Tính toán mạch chia áp cho cảm biến Flex với điện trở $10\text{ k}\Omega$ và mạch chia áp hạ điện áp mức logic RX cho Bluetooth ($1\text{ k}\Omega$ và $2,2\text{ k}\Omega$).
  • Lập bảng thiết lập tập lệnh AT đồng bộ hóa kết nối giữa Master (HC-05) và Slave (HC-06) ở tốc độ Baud 38400.
  • Lập bảng tính toán dòng tiêu thụ và công suất tiêu thụ: bo mạch tay phải tiêu thụ 580,43 mA (công suất 2851,15 mW, thời gian hoạt động tính toán trên 6 giờ); bo mạch tay trái tiêu thụ 360,43 mA (công suất 1751,15 mW, thời gian hoạt động trên 5 giờ).
  • Phân tích trạng thái cử chỉ của các ngón tay và vẽ sơ đồ nguyên lý toàn mạch bằng phần mềm EasyEDA.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ thiết kế:

  • May thủ công cảm biến Flex lên găng tay, thiết kế băng đeo chứa hộp pin 18650 và gắn mạch LM2596.
  • Thiết kế mạch in một lớp bằng Proteus, chế tạo và hàn lắp hoàn thiện 2 bo mạch điều khiển cho hai tay.
  • Xây dựng các lưu đồ thuật toán điều khiển: lưu đồ chương trình chính, lưu đồ chương trình con đọc và kiểm tra giá trị cảm biến trên vi điều khiển 1 và 2, lưu đồ chương trình con nhận dữ liệu từ HC-05 qua HC-06, lưu đồ chương trình con phát âm thanh qua DFPlayer Mini.
  • Lập bảng thống kê linh kiện sử dụng, bảng hướng dẫn sử dụng, bảng xử lý lỗi và bảng dự toán chi phí linh kiện.

Chương 5: Kết quả và đánh giá

Chương 5 trình bày kết quả nghiệm thu mô hình thực tế của đôi găng tay:

  • Đôi găng tay thu nhận tín hiệu uốn cong và góc nghiêng ổn định, truyền nhận dữ liệu không dây giữa hai bàn tay không bị gián đoạn trong phạm vi dưới 10m.
  • Hệ thống nhận diện chính xác và xuất ra đúng các file âm thanh tiếng Việt định sẵn qua loa.
  • Trình bày bảng dữ liệu kết quả thực hiện các câu giao tiếp cơ bản và đưa ra nhận xét, đánh giá về độ nhạy, tính cơ động và độ trễ phản hồi của hệ thống.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được so với mục tiêu ban đầu, chỉ rõ các hạn chế tồn tại của hệ thống (về số lượng cử chỉ, độ bền cơ học của cảm biến và thẩm mỹ của mạch in may thủ công), đồng thời đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật cho các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Thi công hoàn chỉnh phần cứng đôi găng tay: Nhóm tác giả đã chế tạo thành công một hệ thống đôi găng tay gồm hai mạch điều khiển độc lập trên hai bàn tay, giao tiếp không dây thời gian thực thông qua chuẩn Bluetooth HC-05 và HC-06. Mạch hạ áp và pin 18650 cung cấp nguồn hoạt động ổn định trên 5 giờ liên tục.

  2. Chuyển đổi thành công các câu giao tiếp tiếng Việt: Hệ thống nhận diện cử chỉ kết hợp giữa độ co gập của 5 ngón tay (cảm biến Flex) và hướng nghiêng bàn tay (cảm biến ADXL335), phát âm thanh rõ ràng qua loa 1W với 8 mẫu câu giao tiếp cơ bản:

    • “Xin chào”
    • “Tôi tên là”
    • “Bạn tên gì”
    • “Bạn khỏe không”
    • “Tôi khỏe”
    • “Bạn thật tuyệt vời”
    • “Rất vui được gặp bạn”
    • “Hẹn gặp lại”

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Tự do hóa chuyển động nhờ kết nối không dây: Khác với các thiết kế găng tay truyền thống nối dây trực tiếp giữa hai bàn tay về một hộp xử lý trung tâm, đề tài đã tách biệt bộ điều khiển tay trái và tay phải, truyền thông qua sóng Bluetooth tầm ngắn giúp người dùng cử động tự nhiên, không bị vướng víu cơ học.
  • Giải quyết bài toán trùng lặp cử chỉ: Tác giả đã kết hợp thành công cảm biến gia tốc ADXL335 với hệ thống cảm biến Flex để phân biệt các cử chỉ có cùng trạng thái gập ngón tay (ví dụ: các cử chỉ "bạn", "tôi", "gặp" đều có trạng thái duỗi ngón trỏ và gập 4 ngón còn lại, nhưng khác nhau về hướng bàn tay).
  • Phát âm thanh trực tiếp: Chuyển đổi trực tiếp ngôn ngữ ký hiệu thành giọng nói phát ra loa tại chỗ, giúp người bình thường không cần nhìn màn hình hoặc học thủ ngữ vẫn có thể hiểu được ý muốn của người câm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được ghi nhận trong văn bản

  1. Đối tượng thụ hưởng bị giới hạn: Thiết bị chỉ hỗ trợ cho người câm không bị điếc. Trường hợp người câm điếc hoàn toàn không thể nghe được âm thanh phản hồi từ loa để biết hệ thống đã phát đúng câu muốn nói hay chưa.
  2. Số lượng câu giao tiếp còn ít: Hệ thống mới chỉ lập trình và giải mã được tối đa 10 cử chỉ, tương ứng với 8 câu đàm thoại căn bản, chưa đáp ứng được nhu cầu giao tiếp ngữ cảnh phức tạp.
  3. Giới hạn công suất âm thanh: Loa trang bị có công suất nhỏ (dưới 3W, thực tế dùng loa 1W - 8Ω), do đó âm lượng phát ra chỉ nghe rõ trong không gian yên tĩnh hoặc cự ly gần, dễ bị lấn át bởi tiếng ồn môi trường công cộng.
  4. Đặc tính cơ học của cảm biến: Cảm biến Flex điện trở carbon có nhược điểm dễ bị gãy, biến dạng vĩnh viễn hoặc hỏng mạch trở kháng nếu người dùng tác động lực uốn quá mạnh hoặc gập góc quá gắt.
  5. Độ thẩm mỹ và tính gọn nhẹ: Mạch in gia công một lớp kích thước còn lớn; phương pháp cố định dây dẫn và linh kiện bằng may thủ công trên vải găng tay chưa đạt độ thẩm mỹ công nghiệp.

Hướng phát triển đề tài

  • Mở rộng số lượng cảm biến hoặc nâng cấp giải thuật nhận diện cử chỉ để mở rộng ngân hàng từ vựng, hỗ trợ phát âm nhiều câu nói và từ ghép phức tạp hơn.
  • Tích hợp thêm màn hình hiển thị nhỏ (OLED/LCD) trên cổ tay hoặc kết nối ứng dụng điện thoại thông minh để hỗ trợ người vừa câm vừa điếc có thể theo dõi nội dung phản hồi bằng chữ viết.
  • Thiết kế lại mạch in (PCB) đa lớp sử dụng linh kiện dán (SMD) để thu nhỏ kích thước khối điều khiển, tích hợp liền mạch lên bề mặt găng tay.
  • Nâng cấp bộ khuếch đại âm thanh và loa để tăng cường âm lượng phục vụ giao tiếp ở môi trường ngoài trời.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo tốt cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh, Kỹ thuật Điện tử, Cơ điện tử và Kỹ thuật Máy tính: Tham khảo phương pháp thu thập tín hiệu sinh học/cơ học cơ thể thông qua cảm biến uốn cong và cảm biến gia tốc MEMS; phương pháp cấu hình mạng giao tiếp Master - Slave qua tập lệnh AT của Bluetooth HC-05 và HC-06.
  • Người nghiên cứu các thiết bị hỗ trợ người khuyết tật: Tham khảo giải pháp kết hợp cảm biến để giải quyết bài toán trùng lặp trạng thái chuyển động (cùng góc uốn nhưng khác hướng không gian).
  • Các phần nội dung đáng tham khảo nhất:
    • Bảng tính toán dòng điện, công suất tiêu thụ và thời gian hoạt động của pin (Chương 3).
    • Quy trình cấu hình và ghép nối tự động địa chỉ MAC giữa hai mô-đun Bluetooth bằng lệnh AT (Chương 3).
    • Sơ đồ mạch chia áp kết nối ADC của Arduino Nano với cảm biến Flex và các lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống (Chương 3 và Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng giải pháp nào để phân biệt các cử chỉ có trạng thái gập ngón tay hoàn toàn giống nhau?
Nhóm tác giả tích hợp thêm cảm biến gia tốc 3 trục ADXL335 gắn ở đầu ngón trỏ của mỗi bàn tay. Đối với các cử chỉ có cùng mức uốn cong ngón tay (như cử chỉ "bạn", "tôi", "gặp" đều duỗi ngón trỏ và co 4 ngón còn lại), cảm biến ADXL335 sẽ đo góc nghiêng và hướng của bàn tay theo trục X, Y, Z để vi điều khiển phân biệt chính xác từng cử chỉ.

2. Tại sao chân RX của mô-đun Bluetooth không thể nối trực tiếp vào chân digital của Arduino Nano?
Mô-đun Bluetooth HC-05 và HC-06 hoạt động ở mức điện áp logic 3,3V, trong khi các chân xuất tín hiệu của Arduino Nano hoạt động ở mức 5V. Để tránh làm hỏng mô-đun, nhóm nghiên cứu đã thiết kế mạch chia áp gồm hai điện trở $1\text{ k}\Omega$ và $2,2\text{ k}\Omega$ nhằm hạ mức điện áp từ 5V xuống xấp xỉ 3,43V trước khi đưa vào chân RX của Bluetooth.

3. Dung lượng pin và thời gian vận hành liên tục của mỗi bên găng tay là bao nhiêu?
Theo tính toán của tác giả:

  • Bàn tay phải sử dụng nguồn pin dung lượng tính toán 5200 mAh, tổng dòng tiêu thụ toàn mạch là 580,43 mA (công suất 2851,15 mW), cho thời gian vận hành liên tục khoảng 6,27 giờ.
  • Bàn tay trái sử dụng bộ pin dung lượng 2600 mAh, tổng dòng tiêu thụ là 360,43 mA (công suất 1751,15 mW), cho thời gian vận hành liên tục khoảng 5,05 giờ.

4. Thiết bị có hỗ trợ người bị câm điếc bẩm sinh không?
Không. Theo giới hạn đề tài do tác giả xác định ở Chương 1, hệ thống chỉ hỗ trợ đối tượng người câm không bị điếc, vì đầu ra của thiết bị chỉ phát qua loa âm thanh tiếng Việt, người sử dụng cần nghe được âm thanh phản hồi để kiểm soát nội dung giao tiếp của mình.

5. Tốc độ truyền dữ liệu (Baudrate) giữa hai mô-đun Bluetooth được cài đặt là bao nhiêu?
Tốc độ truyền nhận không dây giữa hai mô-đun Bluetooth HC-05 và HC-06 được thiết lập cố định qua lệnh AT ở mức 38400 bps (sử dụng lệnh AT+BAUD6 trên HC-06 và AT+UART=38400,0,0 trên HC-05).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công găng tay hỗ trợ giao tiếp dành cho người câm" của sinh viên Đỗ Nhân Trọng Trí và Nguyễn Thanh Phong đã hoàn thành đầy đủ các nhiệm vụ kỹ thuật đề ra, từ tính toán nguyên lý đến chế tạo mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh. Hệ thống xử lý tín hiệu kết hợp giữa cảm biến uốn cong Flex và cảm biến gia tốc ADXL335 dưới sự điều khiển của Arduino Nano, cho phép giải mã chính xác các cử chỉ tay và truyền nhận không dây qua Bluetooth giữa hai bàn tay. Mặc dù số lượng mẫu câu còn giới hạn ở mức 8 câu đàm thoại cơ bản và loa công suất nhỏ (1W), công trình đã cung cấp một thiết kế phần cứng y sinh học thực tế, mở ra nền tảng giải pháp hữu ích cho việc nghiên cứu và chế tạo các thiết bị trợ giúp người khuyết tật giao tiếp hòa nhập cộng đồng.