Thiết Kế và Thi Công Gậy Điện Tử Hỗ Trợ Người Khiếm Thị - SPKT TPHCM

Gậy điện tử cho người khiếm thị: Giải pháp tối ưu hỗ trợ di chuyển an toàn và tự tin. Tìm hiểu về công nghệ tiên tiến và lợi ích vượt trội của sản phẩm.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Nghĩa
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Phúc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công gậy điện tử hỗ trợ người khiếm thị
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Gậy Điện Tử Hỗ Trợ Người Khiếm Thị

Theo triết gia Aristotle, thị giác là giác quan quan trọng nhất. Khiếm thị gây ra nhiều khó khăn trong di chuyển. Gậy điện tử cho người mù ra đời nhằm hỗ trợ di chuyển an toàn và độc lập. Các phương tiện hỗ trợ truyền thống như gậy chống và chó dẫn đường vẫn còn nhiều hạn chế. Gậy điện tử tích hợp công nghệ cảm biến và xử lý tín hiệu để tăng cường khả năng định hướng và di chuyển. Khóa luận này tập trung vào thiết kế và thi công gậy điện tử giá thành hợp lý, phù hợp với điều kiện Việt Nam. Mục tiêu là giúp người khiếm thị hòa nhập cộng đồng, di chuyển dễ dàng hơn. Sản phẩm trang bị cảnh báo vật cản, tín hiệu khi vào vùng tối, và cảnh báo té ngã, đảm bảo an toàn tối đa cho người sử dụng. Theo thống kê tại Việt Nam có khoảng 2 triệu người mù và thị lực kém, trong đó 1/3 là những người nghèo, khó khăn trong việc tìm lại ánh sáng cho đôi mắt của mình. Nhờ sự phát triển của khoa học và công nghệ, các thiết bị hữu ích cho xã hội ra đời, trong đó có nhiều thiết bị có thể hỗ trợ người khiếm thị hòa nhập với cộng đồng xung quanh.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Thiết Bị Hỗ Trợ Di Chuyển Cho Người Khiếm Thị

Người khiếm thị gặp nhiều khó khăn trong việc di chuyển, cần các kỹ thuật và công cụ hỗ trợ. Gậy dò đường thông minh giúp định hướng và di động, cho phép di chuyển độc lập và an toàn. Các giác quan còn lại đóng vai trò quan trọng. Định hướng và di động chuyên giúp đỡ người khiếm thị, chỉ dẫn họ di chuyển một cách độc lập và an toàn dựa theo các giác quan còn lại.

1.2. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ Hỗ Trợ Người Mù

Công nghệ cảm biến và xử lý tín hiệu đang được ứng dụng rộng rãi. Thiết bị hỗ trợ người mù ngày càng thông minh và tiện lợi. Gậy điện tử tích hợp nhiều tính năng an toàn và hỗ trợ di chuyển. Nhiều kỹ thuật đã được phát triển và nghiên cứu để tăng cường khả năng di chuyển của người khiếm thị dựa vào xử lý tín hiệu và các công nghệ cảm biến.

II. Thách Thức Di Chuyển An Toàn Cho Người Khiếm Thị

Việc di chuyển an toàn là một thách thức lớn đối với người khiếm thị. Các nguy cơ tiềm ẩn bao gồm vật cản, địa hình không bằng phẳng và các tình huống khẩn cấp. Gậy truyền thống có nhiều hạn chế trong việc phát hiện vật cản phía trên thắt lưng. Các thiết bị hỗ trợ hiện tại thường có giá thành cao, gây khó khăn cho người có thu nhập thấp. Bài toán đặt ra là làm sao để có một thiết bị gậy điện tử an toàn cho người khiếm thị, giá thành phải chăng, đồng thời đảm bảo đầy đủ tính năng hỗ trợ và cảnh báo.

2.1. Hạn Chế Của Gậy Truyền Thống Và Các Thiết Bị Hiện Tại

Gậy truyền thống chỉ phát hiện vật cản thấp. Các thiết bị hiện đại thường có giá quá cao. Khó khăn trong việc tiếp cận công nghệ đối với người nghèo. Gậy mù công nghệ cũ chỉ giúp phát hiện các vật cản từ thắt lưng trở xuống.

2.2. Yêu Cầu Về Tính Năng An Toàn Và Giá Thành Hợp Lý

Thiết bị cần phát hiện vật cản ở nhiều độ cao. Cần có tính năng cảnh báo và liên lạc khẩn cấp. Giá gậy điện tử cho người khiếm thị phải phù hợp với điều kiện kinh tế của người Việt. Vấn đề cốt lõi cần được giải quyết là giúp người khiếm thị di chuyển, hoạt động một cách dễ dàng trong sinh hoạt đời sống hằng ngày.

III. Giải Pháp Thiết Kế Gậy Điện Tử Cảm Biến Vật Cản

Giải pháp được đề xuất là thiết kế gậy điện tử cảm biến vật cản sử dụng cảm biến siêu âm và hồng ngoại. Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản ở xa, cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản gần. Hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo bằng âm thanh và rung khi phát hiện vật cản. Gậy cũng tích hợp cảm biến ánh sáng để tự động bật đèn LED khi trời tối. Cảm biến chất lỏng được gắn dưới chân gậy, phát hiện các chất lỏng trên đường đi. Gậy điện tử cảnh báo cho người dùng để tránh những chướng ngại vật không mong muốn.

3.1. Ứng Dụng Cảm Biến Siêu Âm Và Hồng Ngoại Trong Gậy Điện Tử

Cảm biến siêu âm đo khoảng cách xa, hồng ngoại đo khoảng cách gần. Kết hợp cả hai loại cảm biến để tăng độ chính xác và tin cậy. Ứng dụng các tính chất của sống siêu âm, tia hồng ngoại qua đó phát cảnh báo cho người sử dụng.

3.2. Hệ Thống Cảnh Báo Bằng Âm Thanh Rung Và Đèn LED

Âm thanh cảnh báo khi phát hiện vật cản. Rung để thông báo kín đáo. Đèn LED tự động bật khi trời tối. Bên cạnh đó các tín hiệu như phát ra ánh sáng khi đi vào vùng tối và tìm vị trí của gậy cũng rất quan trọng để hỗ trợ trực tiếp cho người khiếm thị.

3.3. Tích Hợp Cảm Biến Chất Lỏng Hỗ Trợ An Toàn Tối Ưu

Cảm biến chất lỏng được gắn dưới chân gậy. Phát hiện chất lỏng để tránh trơn trượt và nguy hiểm. Điều này giúp tăng cường an toàn cho người sử dụng.

IV. Gậy Điện Tử GPS Định Vị Và Liên Lạc Khẩn Cấp

Gậy điện tử tích hợp module GPS và GSM để định vị và liên lạc khẩn cấp. Khi người dùng gặp sự cố, có thể nhấn nút khẩn cấp để gửi tin nhắn SMS chứa tọa độ GPS đến người thân. Gậy cũng có thể thực hiện cuộc gọi khẩn cấp đến số điện thoại được cài đặt trước. Tính năng này đặc biệt quan trọng trong các tình huống nguy hiểm hoặc khi người dùng bị lạc. Gậy điện tử định vị GPS cho người mù giúp người thân nhanh chóng tìm thấy và hỗ trợ.

4.1. Module GPS Và GSM Định Vị Chính Xác Vị Trí

Module GPS xác định tọa độ vị trí. Module GSM gửi tin nhắn SMS và thực hiện cuộc gọi. Ngoài ra GPS sẽ giúp ta dễ dàng tìm thấy, theo dõi người khiếm thị để vấn đề đảm bảo an toàn được nâng cao hơn.

4.2. Nút Nhấn Khẩn Cấp Gửi Tin Nhắn Và Gọi Điện

Nút nhấn khẩn cấp dễ dàng sử dụng trong tình huống nguy hiểm. Tin nhắn SMS chứa thông tin tọa độ GPS chính xác. Gậy điện tử còn có chức năng gọi điện đến người thân khi người khiếm thị gặp sự cố.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Kết Quả Nghiên Cứu Gậy Điện Tử

Mô hình gậy điện tử hỗ trợ di chuyển được thiết kế và thi công thành công. Các cảm biến hoạt động chính xác, phát hiện vật cản và chất lỏng. Module GPS và GSM hoạt động ổn định, gửi tin nhắn và thực hiện cuộc gọi khẩn cấp. Gậy điện tử có thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng và có giá thành hợp lý. Kết quả thử nghiệm cho thấy gậy điện tử giúp người khiếm thị di chuyển an toàn và tự tin hơn.

5.1. Đánh Giá Hiệu Quả Hoạt Động Của Các Cảm Biến

Cảm biến siêu âm và hồng ngoại phát hiện vật cản chính xác. Cảm biến chất lỏng hoạt động hiệu quả. Hệ thống hoạt động ổn định và đáng tin cậy.

5.2. Kiểm Tra Chức Năng GPS GSM Và Liên Lạc Khẩn Cấp

Module GPS định vị chính xác. Module GSM gửi tin nhắn và thực hiện cuộc gọi thành công. Hệ thống liên lạc khẩn cấp hoạt động tốt trong các tình huống giả định.

VI. Tương Lai Phát Triển Gậy Điện Tử Hỗ Trợ Toàn Diện

Hướng phát triển của gậy điện tử hỗ trợ người khiếm thị là tích hợp thêm nhiều tính năng thông minh. Các tính năng có thể bao gồm nhận dạng biển báo giao thông, cảnh báo địa hình nguy hiểm, và kết nối với các dịch vụ hỗ trợ trực tuyến. Gậy điện tử sẽ trở thành một thiết bị hỗ trợ toàn diện, giúp người khiếm thị hòa nhập và sống độc lập hơn. Gậy còn có chức năng tìm vị trí của gậy khi đặt nhằm chỗ hoặc thất lạc trong phạm vi gần.

6.1. Tích Hợp Nhận Dạng Biển Báo Giao Thông Và Cảnh Báo Địa Hình

Nhận dạng biển báo giúp người dùng di chuyển an toàn hơn. Cảnh báo địa hình nguy hiểm như hố ga, vỉa hè cao.

6.2. Kết Nối Với Các Dịch Vụ Hỗ Trợ Trực Tuyến Cho Người Mù

Kết nối với các ứng dụng bản đồ, tìm đường. Truy cập thông tin giao thông, thời tiết.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn đề tài và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày lý thuyết cơ sở làm tiền đề để thực hiện đồ án, sử dụng các đề tài đã được nghiên cứu làm cơ sở để tham khảo. Chương 3: Tính toán thiết kế và thi công hệ thống Từ những cơ sở lý thuyết có được đưa ra sơ đồ khối, tính toán và thiết kế các khối có trong hệ thống, thiết kế các lưu đồ giải thuật. Chương 4: Kết quả thực hiện Đưa ra kết quả, hình ảnh mô hình Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Đưa ra kết luận đề tài sau thời gian thực hiện và hướng phát triển của đề tài.

Các nghiên cứu đã thực hiện 2. Cây gậy thông minh WeWALK Hình 2. Gậy thông minh xác định phương hướng Cha đẻ của gậy thông minh WeWalk là kỹ sư khiếm thị Kursat Ceylan. Ông là giam đốc điều hành và là nhà đồng sáng lập Học viện Young Guru ở Thổ Nhĩ Kỳ.

Tổ chức phi lơi nhuận đã là ra cây gậy độc đáo này. Gậy mù công nghệ cũ chỉ giúp phát hiện các vật cản từ thắt lưng trở xuống thì gậy WeWalk có thể phát hiện các vật cản cao trên ngực bằng việc sử dụng các cảm biến siêu âm. Ngoài ra gậy với các trang bị như có gắn đèn LED phía trước để giúp người mù không hoàn toàn có thể quan sát trong bóng tối, sử dụng kết nối với điện thoại thông minh thông qua Bluetooth. Do đó người dùng có thể sử dụng loa tích hợp của WeWalk để nhận các tín hiệu điều hướng bằng giọng nói từ các ứng dụng như GoogleMaps.

Và hiện tại WeWalk đang làm việc với nhiều công ty, bao gồm Microsoft để bổ sung thêm nhiều tính năng khác cho chiếc gậy thông minh này. Sản phẩm này đang được hàng nghìn người khiểm thị ở 59 quốc gia sử dụng. Tay cầm cây gậy thông minh WeWALK 2. Gậy thông minh UltraCan UltraCane từng đoạt giải thưởng là cây gậy điện tử tiên tiến nhất.

Với hy vọng có thể giúp người mù tự tin và độc lập di chuyển trong cuộc sống hằng ngày. Thay vị chỉ đơn giản là tránh các vật thể, nó có thể giúp người khiếm thị định hướng một cách tự tin khi di chuyển ngoài đường phố. Gậy sử dụng hệ thông siêu âm chùm hẹp. Bằng các tín hiệu chuyển đi và gửi về sau khi phát hiện vật cản gậy sẽ phát ra tiếng rung để thông báo cho người sử dụng các vật thể có thể gây nghi hiểm cho họ.

UltraCane có 2 chế độ làm việc gồm chế độ tầm ngắn ( phát hiện vật cản trong khoảng 2m tính từ tay cầm) và chế độ tầm xa( phát hiện chướng ngại vật trong khoảng 4m tính từ tay cầm). Gậy thông minh Ultra Cane 2. Tổng quan về hệ thống định vị GPS 2. Giới thiệu GPS là hệ thống định vị toàn cầu, xác định vị trí dựa vào vệ tinh.

GPS được Mỹ xây dựng từ năm 1995 và cho tới nay hầu hết các thiết bị điện tử di động đã và đang sử dụng hệ thống này nhằm mục đích cá nhân với một mức độ nhất định. Hệ hống định vị vệ tinh GPS 2. Thành phần Hệ thống GPS gồm 3 thành phần: 5 - Phần không gian: Phần mang tính cốt lõi nhất bao gồm một tổ hợp vài chục vệ thinh bay quanh trái đất ở những vĩ đạo nhất định từ độ cao 20.000km, được tính toán để điều chỉnh và phủ sóng toàn bộ mặt đất. Bất cứ điểm nào trên trái đất điều nhìn thấy tối thiểu bốn vệ tính.

- Phần điều khiển: Là các trung tâm mặt đất rải rác cố định khắp thể giới với mục đích là theo dõi và điều khiển hoạt động các vệ tinh trên. - Phần sử dụng : Là thiết bị thu nhận và sử dụng tín hiệu GPS có mục đích. Bao gồm phần cứng để thu nhận sóng, phần mềm giải mã sóng, tính toán và giao diện. Nguyên lý hoạt động của GPS - Theo lý thuyết, vị trí của một điểm trên mặt đất sẽ tham chiếu so với vị trí của các vệ tinh và trung tâm tín hiệu không gian trên mặt đất.

Khoảng cách này tính theo công thức (2. Quảng đường = Vận tốc x thời gian (2.1) - Trong đó: Vận tốc là tốc độ truyền tín hiệu và thời gian đo bằng đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cực cao. Tổng quan về các chuẩn truyền dữ liệu 2. Chuẩn truyền dữ liệu UART UART là kiểu truyền thông tin nối tiếp không đồng bộ, có thể cấu hình được tốc độ và thường dùng trong một mạch tích hợp.

UART là một giao thức đơn giản và phổ biến gồm 2 đường truyền độc lập là TX(truyền ) và RX(nhận). Dữ liệu được truyền và nhận qua 2 đường truyền này dưới dạng khung dữ liệu (data frame) có cấu trúc chuẩn với một bit bắt đầu(start bit) , một số bit dữ liệu(data bit) , một bit kiểm tra chẵn lẻ (parity) và bit dừng (stop bit). Thông thường tốc độ UART được đặt ở một số chuẩn như 9600, 19200, 38400, 57600, 115200. Tốc độ truyền định nghĩa tốc độ bit qua mỗi giây.

Truyền dữ liệu UART 6 - Bit bắt đầu( Start Bit): Để bắt đầu truyền dữ liệu, truyền UART kéo đường dữ liệu từ mức điện áp cao (1) xuống mức điện áp thấp (0). UART thu được thông báo sự chuyển đổi này từ mức cao sang mức thấp qua đường dữ liệu cũng như bắt đầu hiểu dữ liệu thực. - Bit dữ liệu (Data Bit): Các bit dữ liệu bao gồm dữ liệu thực được truyền từ người gửi đến người nhận. Độ dài khung dữ liệu có thể nằm trong khoảng 5 & 8.

Nếu bit chẵn lẻ không được sử dụng thì chiều dài khung dữ liệu có thể dài 9 bit. - Bit chẵn lẻ (Parity): Là một cách để kiểm tra dữ liệu có bị lỗi khi truyền không. Nếu bit chẵn lẻ là chẵn ( 0) thì số bít dữ liệu trong khung dữ liệu sau khi truyền phải là bit chẳn, khi đó truyền không bị lỗi. Tương tự nếu bit chẵn lẽ là lẻ ( 1) thì số bit dữ liệu trong khung dữ liệu sau khi truyền là số lẻ, khi đo truyền không bị lỗi và ngược lại là bị lỗi.

- Bit dừng ( Stop bit): Báo hiệu sự kết thúc của gói dữ liệu, thông thường dài 2 bit nhưng thường chỉ sử dụng 1 bit. - Ưu điểm của UART : Chỉ cần 2 dây để truyền dữ liệu, có một bit chẵn lẻ để kiểm tra lỗi, sắp xếp gói dữ liệu có thể sửa đổi. - Nhược điểm của UART : Kích thước khung dữ liệu tối đa là 9 bit, tốc độ truyển phải ở mức 10% của nhau và không hỗ trợ nhiều hệ thống chủ tớ. Giao diện của UART 2.

Chuẩn giao tiếp I2C I2C là một giao tiếp nối tiếp đồng bộ được phát triển bới Philips Semiconductor, sử dụng để truyền nhận dữ liệu giữa các IC với nhau chỉ sử dụng 2 đường truyền tín hiệu. Các bit dữ liệu được truyền từng bit một theo các khoảng cách thời gian đều đặn được thiết lập bới một tín hiệu đồng hồ. Bus I2C thường được để sử dụng giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như vi điều khiển, cảm biến. Giao tiếp I2C I2C chỉ sử dụng 2 đường tín hiệu là SCL và SDA: SCL – Serial Clock Line: Tạo xung nhịp đồng hồ do Maser phát đi thông thường ở 100kHz và 400kHz SDA – Serial Data Line: Đường truyền nhận dữ liệu, Khi một thiết bị ngoại vi được kết nối vào Bus I2C thì chân SDA của nó sẽ kết nối với dây SDA của Bus, chân SCL sẽ nối dây với SCL Hình 2.

Truyền nhận dữ liệu I2C - Ưu điểm của I2C: Chỉ sử dụng 2 dây, hỗ trợ nhiều thiết bị chủ tớ, Bit ACK/ NACK xác nhận mỗi khung được chuyển thành công, phần cứng ít phức tạp hơn so với UART. - Nhược điểm của I2C: Kích thước khung dữ liệu giới hạn 8 bit 8 2. Tổng quan về phần mềm lập trình cho Adruino 2. Giới thiệu về phần mềm Adruino IDE Aduino IDE ( Adruino Inegrated Devolopment Inviromment) là phần mềm chuyên hỗ trợ lập trình cho Adruino sử dụng ngôn ngữ lập trình C và C++.

Phần mềm hỗ trợ đa dạng các module khác nhau, gồm hơn 300000 bảng mạch được thiết sẵn giúp người dùng dễ dàng tìm được sản phẩm phù hợp với nhau cầu. Bên cạnh đó phần mềm hỗ trợ trên đa nền tảng với các hệ điều hành như Mac, Windows.Sau khi lập trình xong ta biên dịch được file Hex. Sau đó ta nạp file Hex vào Adruino. Bên trong mỗi Adruino đều tích hợp mạch vi điều khiển để xử lý file Hex và hoạt động theo file Hex đã viết.

Giao diện phần mềm Adruino IDE 2. Các tác vụ trên phần mềm Adruino IDE Bảng 2.Các tác vụ trên phần mềm Adruino IDE Verify Kiểm tra và biên dịch Upload Dịch và tải vào mạch New Tạo một sketch mới Open Mở một sketch có sẵn Save Lưu sketch Serial Monitor Mở Serial Monitor 9 Chương 3. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 3. Thiết kế phần cứng cơ khí Để người dùng dễ dàng thích nghi với sản phẩm mới, không nên thay đổi quá nhiều so với các sản phẩm cũ mà họ đã quen, đồng thời phù hợp với những nghiên cứu về người khiếm thị.

Các tiêu chí được đưa ra là nhỏ gọn và nhẹ để họ di chuyển một cách dễ dàng nhất. Ý tưởng đưa ra là thiết kế gậy gồm có 3 phần chính là tay cầm dài 20cm, phần thân gậy dài 85cm với chất liệu là thanh nhôm định hình và hộp mica với kích thước dài 25cm x rộng 10cm x dày 3cm để chứa mạch điều khiển. Hộp mica sẽ được gắn phía dưới tay cầm và trên thân gậy. Phía dưới cùng của gậy bố trí một cảm biến khoảng cách hồng ngoại và một cảm biến chất lỏng không tiếp xúc.

Phía bên trên, trước phần tay cầm bố trí một cảm biến siêu âm chống thấm nước và mạch thu RF. Hệ thống đèn LED sẽ được gắn phía dưới cảm biến siêu âm. Mô hình sản phầm gậy thông minh 3. Yêu cầu của hệ thống - Đo được khoảng cách từ gậy đến vật cản và phát ra tín hiệu cảnh báo khi có vật cản - Tìm vị trí của gậy khi thất lạc - Gọi điện, nhắn tin kèm theo tọa độ vị trí khi có tín hiệu khẩn cấp hoặc té ngã - Có tín hiệu đèn phát sáng cảnh báo khi đi vào trong tối - Phát cảnh báo khi đi vào vùng có chất lỏng.

Sơ đồ khối và chức năng từng khối của hệ thống 3.