chương 1 giới thiệu về mục tiêu và tình hình nghiên cứu của các sản phẩm và công trình liên quan. Chương 2: Cơ sở lý thuyết liên quan được giới thiệu và trình bày ở chương 2. Nêu lên những kiến thức cơ bản cần phải có khi xây dựng và thiết kế hệ thống nón bảo hiểm thông minh. Cụ thể như lý thuyết về vi xử lý Arduino LilyPad, ESP 8266 NodeMCU, các chuẩn truyền dữ liệu… Chương 3: Trình bày quá trình xây dựng và thiết kế một hệ thống nón bảo hiểm thông minh hoàn chỉnh.
Nêu ra lý do chọn phần cứng cũng như quá trình xây dựng cả phần cứng lẫn phần mềm. Chương 4: Kết quả thực nghiệm sau khi hoàn thành thi công phần cứng, phần mền. Thực hiện kiểm thử trên mô hình thực tế. Chương 5: Đưa ra kết luận toàn bộ hệ thống.
Các ưu điểm và khuyết điểm của sản phẩm cùng với đó là hướng phát triển, hướng khắc phục các khuyết điểm trong tương lai của đề tài để mang lại một sản phẩm hoàn thiện và tối ưu nhất có thể. 4 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu Nắm vững cơ sở lý thuyết là yêu cầu bắt buộc khi xây dựng một hệ thống điện tử. Chính vì vậy để xây dựng hệ thống nón bảo hiểm ứng dụng IoT có cảnh báo tai nạn và nồng độ cồn như mục tiêu của đề tài mà nhóm đã đề ra thì cần có những kiến thức nền tảng về lý thuyết liên quan. Những cơ sở lý thuyết sẽ được nhóm trình bày trong các mục kế tiếp của chương 2.2 Tổng quan về Arduino LilyPad Hình 2.1: Bo mạch chính Arduino LilyPad Hình 2.1 là bo mạch với thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng có thể tích hợp vào trong các sản phẩm bị giới hạn về diện tích như chiếc nón bảo hiểm thì Arduino Lilypad là một sự lựa chọn phù hợp nhất.1: Thông số kỹ thuật Arduino LilyPad Điện áp hoạt động 2.5 V Dòng DC ở mỗi chân I/O 40mA Bộ nhớ Flash 16KB (2KB sử dụng cho Bootloader) SRAM 1 KB EEPROM 512 bytes Thạch anh 8 Mhz 5 do an Bo mạch Arduino LilyPad là một phiên bản Arduino sử dụng chip ATmega328P hoặc ATmega128P, được thiết kế và phát triển bởi Leah Buechley và SparkFun Electronics.
Với thiết kế hình tròn nhỏ gọn đường kính khoảng 50mm nên Arduino LilyPad trở thành một sự lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng có tính chất di chuyển cao, đặc biệt là dùng cho trang trí cho các sản phẩm thời trang như balo, túi xách, quần áo [7] [8]. Arduino LilyPad tổng cộng có 28 chân, gồm có 14 chân tín hiệu, 6 chân analog, 6 chân PWM và còn lại là các chân nguồn. Ưu điểm là các chân đa số được xếp theo hình tròn mục đích dễ dàng xác định các chân, tránh nhầm lẫn và giảm nguy cơ vô tình chạm nhau. Nhược điểm là số chân ít hầu hết chỉ phù hợp cho những hệ thống nhỏ, tiện ích trong đời sống.2: Mạch nguyên lý Arduino LilyPad 6 do an Tích hợp bên trong board mạch của Arduino LilyPad là con chipATmega328P.
Nó là một vi điều khiển 8 bits hiệu năng cao, công suất thấp AVR và được tích hợp 28 chân IO giao tiếp được thiết kế theo kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer – máy tính với tập lệnh đơn giản). ATmega328P có một bộ nhớ lập trình flash 32KB, ba Timer được tích hợp bên trong, hai trong số chúng là thanh ghi 8 bits, cái còn lại là 16 bits. Điện áp hoạt động của ATmege328P nằm trong khoảng từ 3.3 Tổng quan về ESP8266 NodeMCU Hình 2.3: Board ESP8266 NodeMCU ESP8266 là một bộ điều khiển được thiết kế bởi Espressif Systems, là một giải pháp mạng WiFi độc lập được cung cấp như cầu nối từ bộ vi điều khiển hiện có đến WiFi. Nó có tác dụng thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng WiFi, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến IoT [9].4: Sơ đồ chân của ESP8266 NodeMCU 7 do an Qua hình 2.4, mô-đun ESP8266 đi kèm với một đầu nối micro USB tích hợp và một số chân tín hiệu ngõ ra với cổng micro USB ta có thể kết nối dễ dàng để giao tiếp với máy tính giống như một Arduino.
ESP8266 NodeMCU có các chân giống một Arduino như chân A0 là chân Analog và D0-D8 là các chân Digital. Nó hỗ trợ các giao thức truyền thông nối tiếp như UART, SPI, I2C.5: Sơ đồ nguyên lý ESP 8266 NodeMCU Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của ESP8266 NodeMCU Điện áp hoạt động 3.3V Điện áp vào 5V Bộ nhớ Flash 4MB WiFi 24 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n Bảo mật WPA/WPA2 8 do an 2.4 Tổng quan về MPU 6050 Hình 2.6: Sơ đồ chân MPU6050 MPU6050 là một cảm biến đo đơn vị quán tính thường được dùng trong các ứng dụng về robot tự cân bằng, UAVs, Smartphone…Cảm biến đo quán tính giúp chúng ta có được ví trí của vật thể trong không gian ba chiều. Ứng dụng của cảm biến quán tính được thể hiện cụ thể nhất trong Smartphone của chúng ta. Màn hình của Smartphone sẽ được tự động chuyển sang màn hình ngang khi chúng ta bật chế độ tự động xoay màn hình và đặt chiếc Smartphone theo chiều nằm ngang so với mặt đất.
Để MPU6050 có thể nhận biết được quán tính thì nhà sản xuất của nó đã tích hợp bên trong hai đơn vị đo tinh vi khác. Đó chính là cảm biến gia tốc kế và cảm biến con quay chuyển hồi [10]. Sau đây, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu rõ hơn về hai cảm biến con này bên trong MPU6050. Cảm biến gia tốc kế (Accelerometer) Cảm biến gia tốc kế bên trong MPU6050 hoạt động dựa trên nguyên lý áp điện.
Để hiểu được nguyên lý này, chúng ta sẽ đi vào ví dụ sau đây: Chúng ta có một trái banh nhỏ được đặt bên trong một chiếc hộp và những vách ngăn bên trong chiếc hộp được làm bằng những vật chất hay tinh thể áp điện (piezoelectric crystals) [11]. Khi chúng ta cố tình làm nghiêng chiếc hộp, thì trái banh bên trong nó sẽ bị ảnh hưởng bởi lực trọng trường khiến nó chuyển động và chắc chắn một điều rằng trái banh sẽ va chạm với vách ngăn của hộp tạo ra một dòng áp điện nho nhỏ. 9 do an Hình 2.7: Áp điện trong gia tốc kế Sẽ có ba cặp tọa độ đối lập nhau bên trong chiếc hộp, mỗi cặp tương ứng với ba chiều trong không gian: trục X, trục Y và trục Z. Dựa vào dòng diện được tạo ra từ việc va chạm giữa trái banh và vách ngăn của hộp, chúng ta có thể xác định chính xác được hướng nghiêng và cường độ của nó [10].
Cảm biến con quay hồi chuyển Hình 2.8: Hiệu ứng Coriolis Con quay hồi chuyển tích hợp bên trong MPU6050 hoạt động dựa trên nguyên lý Coriolis [12]. Đây là một hiệu ứng xảy ra trong các hệ quy chiều quay so với hệ quy chiếu quán tính, nếu một vật chuyển động dọc theo đường bán kính theo chiều 10 do an rời xa trục quay của hệ qui chiếu thì sẽ chịu tác động của một lực theo phương vuông góc với bán kính và theo chiều ngược với chiều quay của hệ, xem hình 2. Còn nếu vật chuyển động về phía trục quay thì lực sẽ tác động vào vật theo chiều quay của hệ qui chiếu [13]. Điều này có nghĩa là nếu vật được thả lăn tự do theo phương của bán kính, theo chiều ra phía ngoài, thì nó sẽ quay về ngược chiều quay của hệ qui chiếu.
Còn nếu như vật được thả lăn tự do về phía trục thì sẽ ngược lại.5 Mạch GPS U-Blox NEO-6M Mô-đun NEO-6M GPS là mô-đun định vị toàn cầu sử dụng hệ thống vệ tinh GPS của Mỹ. Mô-đun có tốc độ xác định vị trí nhanh và chính xác, mạch có độ bền cao, phần cứng được thiết kế chất lượng tốt, có độ bắt sóng mạnh và độ ổn định cao. Mô-đun có kích cỡ nhỏ 39 x 25.9: Mạch mô-đun GPS U-Blox NEO-6M Anten GPS V1 Mô-đun NEO-6M được kết nối với anten GPS V1 là loại anten có độ nhận sóng cao kể cả ở trong những điều kiện thời tiết không tốt. Anten có khả năng chống chịu nước, dây dẫn song jack nối SMA đực giúp việc kết nối trở nên linh động và dễ dàng, thích hợp để ứng dụng ở nhiều nơi.
[15] 11 do an Hình 2.10: Anten GPS V1 Đặc điểm kỹ thuật Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của mô-đun GPS Neo-6M [16] Nguồn hoạt động 3.5 V Dòng hoạt động bình thường 50 mA Dòng hoạt động ở trạng thái tiết kiệm 30 mA Chuẩn giao tiếp UART/TTL Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mô-đun GPS NEO-6M [16] 12 do an 2.6 Cảm biến nồng độ cồn MQ3 Mô-đun cảm biến nồng độ cồn (C2H5OH) MQ3 hoạt động dựa trên nguyên lý điện trở thay đổi do C2H5OH bay hơi tác động lên lớp SnO2 phủ trong cảm biến. Ứng dụng đo nồng độ cồn trong không khí, hơi thở, thời gian đáp ứng nhanh, độ nhạy cao, sai số thấp và hoạt động ổn định trong thời gian dài.12: Cảm biến nồng độ cồn MQ3 Cảm biến MQ3 hoạt động ở điện áp 5V, có 2 chân ngõ ra cả số lẫn tương tự. Ngõ ra tương tự (AOUT) giúp người sử dụng có thể đọc được các giá trị chính xác và cụ thể về nồng độ cồn. Ngõ ra số (DOUT) mặc định ở mức 0V và 5V, khi nồng độ vượt ngưỡng cho phép đã được cài đặt mặc định khi ngõ ra sẽ ở mức 0.4: Thông số kỹ thuật cảm biến MQ3 Thông số Giá trị Chú thích Vc[V] 5 Điện áp cung cấp.
VH[V] 5 Điện áp cung cấp cho cuộn sưởi.75 Công suất cuộn sưởi RH[W] 33 Điện trở cuộn sưởi RS[MΩ] 1-8 Điện trở thay đổi theo nồng độ C2H5OH Giới hạn đo [mg/L] 0.05 - 10 Tương ứng điện tở 1 – 8MΩ 13 do an Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý cảm biến nồng độ cồn MQ3 [17] 2.7 Chuẩn giao tiếp UART UART (Universal Asynchronous Receive/Transmit) là chuẩn giao tiếp truyền nhận dữ liệu không đồng bộ, đây là chuẩn giao tiếp phổ biến và dễ sử dụng thường được dùng trong giao tiếp vi điều khiển với nhau hoặc với các thiết bị khác.14: Hai VĐK giao tiếp theo chuẩn UART [18] Ứng dụng UART rất rộng rãi ta có thể thấy trong các mô-đun GPS, mô-đun Bluetooth, mô-đun đọc thẻ RFID với Raspberry Pi, Arduino hoặc các bộ vi điều khiển khác. Tổng quan về chuẩn truyền UART Trong giao tiếp UART, khi hai UART giao tiếp trực tiếp với nhau thì UART truyền sẽ chuyển đổi dữ liệu song song sang nối tiếp từ thiết bị điều khiển, truyền 14 do an sang UART nhận. Sau đó, chuyển đổi dữ liệu nối tiếp sang song song cho thiết bị nhận. Chỉ cần hai dây dữ liệu để kết nối giữa hai UART.
Dữ liệu truyền từ chân Tx của UART truyền sang chân Rx của UART nhận.