Luận văn thạc sĩ HCMUTE về thiết bị hỗ trợ liên lạc khẩn cấp

Luận văn phân tích Thiết bị hỗ trợ liên lạc khẩn cấp trong luận văn thạc sĩ HCMUTE, vận dụng lý thuyết vững chắc, đề xuất giải pháp sáng tạo cho

• Tác giả: Nguyễn Thành Mộng
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Đình Phú
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Điện Tử Công Nghiệp
• Đề tài: Thiết Bị Hỗ Trợ Liên Lạc Khẩn Cấp
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• SUMMARY
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
• 1.1. MỤC ĐÍCH VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
• 1.2. NỘI DUNG THỰC HIỆN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. VI ĐIỀU KHIỂN
• 2.1.1. Vi điều khiển họ AVR
• 2.1.2. Bộ nhớ chương trình (Program memory)
• 2.1.3. Bộ nhớ dữ liệu (Data memory)
• 2.1.4. Bộ nhớ ngăn xếp Stack
• 3. CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết bị hỗ trợ liên lạc khẩn cấp

Thiết bị hỗ trợ liên lạc khẩn cấp được phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu cấp thiết trong việc liên lạc khi gặp sự cố, đặc biệt là đối với người cao tuổi và trẻ em. Theo khảo sát, tỷ lệ tai nạn thương tích tại Việt Nam cao, và việc phát hiện kịp thời có thể giảm thiểu hậu quả nghiêm trọng. Thiết bị này cho phép người dùng dễ dàng liên lạc với người thân thông qua một thao tác đơn giản, giúp họ cảm thấy an toàn hơn trong các tình huống khẩn cấp. Nhóm nghiên cứu đã quyết định phát triển thiết bị này với các chức năng cơ bản như xem giờ, báo thức và đo nhịp tim, nhằm hỗ trợ người dùng trong việc theo dõi sức khỏe và liên lạc khẩn cấp.

1.1. Mục đích và giới hạn đề tài

Mục đích của đề tài là tạo ra một thiết bị đơn giản, dễ sử dụng cho người cao tuổi và trẻ em, những đối tượng thường gặp khó khăn trong việc sử dụng điện thoại thông minh. Thiết bị cho phép người dùng chỉ cần nhấn nút để gọi đến số điện thoại của người thân và gửi vị trí hiện tại qua tin nhắn. Giới hạn của đề tài bao gồm việc thiết kế giao diện người dùng trên màn hình OLED và đảm bảo thiết bị có thể đo nhịp tim, phục vụ cho nhu cầu theo dõi sức khỏe của người dùng.

II. Cơ sở lý thuyết về vi điều khiển

Vi điều khiển AVR, đặc biệt là Atmega 2560-16AU, là nền tảng chính cho thiết bị hỗ trợ liên lạc khẩn cấp. AVR được phát triển bởi Atmel, nổi bật với khả năng tiêu thụ năng lượng thấp và hiệu suất cao. Cấu trúc RISC của AVR cho phép thực hiện hầu hết các lệnh trong một chu kỳ xung clock, giúp tăng tốc độ xử lý. Việc sử dụng bộ nhớ Flash cho phép lưu trữ chương trình một cách hiệu quả, đồng thời hỗ trợ nhiều tính năng như ngắt và giao tiếp với các thiết bị ngoại vi. Điều này rất quan trọng trong việc phát triển thiết bị liên lạc khẩn cấp, nơi mà thời gian phản hồi nhanh là rất cần thiết.

2.1. Cấu trúc và chức năng của vi điều khiển

Cấu trúc của vi điều khiển AVR bao gồm nhiều thành phần quan trọng như bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ liệu và các thanh ghi. Bộ nhớ chương trình chứa mã lệnh, trong khi bộ nhớ dữ liệu lưu trữ các biến và thông tin cần thiết cho quá trình xử lý. Các thanh ghi cho phép truy cập nhanh chóng đến dữ liệu, giúp tăng hiệu suất của thiết bị. Việc hiểu rõ cấu trúc này là cần thiết để tối ưu hóa thiết kế và lập trình cho thiết bị hỗ trợ liên lạc khẩn cấp.

III. Thiết kế và phát triển thiết bị

Quá trình thiết kế thiết bị hỗ trợ liên lạc khẩn cấp bao gồm nhiều bước từ nghiên cứu thị trường đến thực hiện mô hình. Nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu các thiết bị liên lạc hiện có và xác định các tính năng cần thiết cho thiết bị mới. Thiết kế bo mạch điều khiển và các module chức năng như màn hình OLED, cảm biến nhịp tim, và module GPS là những bước quan trọng trong quá trình phát triển. Việc lập trình cho bo mạch chính bằng phần mềm Arduino IDE cũng được thực hiện để đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định và hiệu quả.

3.1. Các tính năng chính của thiết bị

Thiết bị hỗ trợ liên lạc khẩn cấp được trang bị nhiều tính năng hữu ích như xem giờ, báo thức, đo nhịp tim và gửi vị trí qua tin nhắn. Những tính năng này không chỉ giúp người dùng dễ dàng liên lạc trong tình huống khẩn cấp mà còn hỗ trợ theo dõi sức khỏe. Thiết kế giao diện người dùng trên màn hình OLED cũng được tối ưu hóa để đảm bảo người dùng có thể sử dụng một cách dễ dàng và thuận tiện.

IV. Đánh giá và ứng dụng thực tiễn

Thiết bị hỗ trợ liên lạc khẩn cấp không chỉ có giá trị trong việc cung cấp một phương tiện liên lạc an toàn mà còn góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho người cao tuổi và trẻ em. Việc sử dụng thiết bị này có thể giảm thiểu rủi ro trong các tình huống khẩn cấp, đồng thời tạo ra sự an tâm cho người dùng và gia đình họ. Các nghiên cứu và phát triển tiếp theo có thể mở rộng thêm các chức năng mới, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng và đáp ứng tốt hơn nhu cầu của người dùng.

4.1. Tính khả thi và triển vọng phát triển

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, thiết bị hỗ trợ liên lạc khẩn cấp có tiềm năng lớn để phát triển thêm nhiều tính năng mới. Việc tích hợp công nghệ IoT có thể giúp thiết bị kết nối với các ứng dụng di động, từ đó mở rộng khả năng theo dõi và hỗ trợ người dùng. Điều này không chỉ giúp nâng cao tính năng của thiết bị mà còn tạo ra một hệ sinh thái hỗ trợ liên lạc khẩn cấp toàn diện hơn.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong đời sống xã hội, nhu cầu theo dõi an toàn và thiết lập liên lạc khẩn cấp khi xảy ra sự cố tai nạn hoặc vấn đề sức khỏe đột xuất đối với người thân—đặc biệt là nhóm đối tượng người cao tuổi và trẻ em—chiếm vị trí quan trọng. Theo số liệu từ cuộc khảo sát về tai nạn thương tích do Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội phối hợp với các cơ quan chuyên môn thực hiện trên quy mô toàn quốc năm 2010 (tiến hành trên gần 50.000 hộ gia đình thuộc 63 tỉnh, thành phố), tỷ lệ tai nạn thương tích tại Việt Nam ở mức cao. Đáng chú ý, số lượng trường hợp tử vong do tai nạn thương tích còn cao hơn so với bệnh lây nhiễm, với các nguyên nhân phổ biến gồm tai nạn giao thông, ngã, đuối nước, vật sắc nhọn và động vật tấn công. Đối với các nạn nhân thụ động như người cao tuổi và trẻ nhỏ, việc được phát hiện và hỗ trợ kịp thời đóng vai trò quyết định trong việc giảm thiểu tổn hại về sức khỏe và tính mạng.

Tuy nhiên, việc liên lạc từ xa đối với người cao tuổi gặp nhiều rào cản thực tế. Nhiều người thuộc thế hệ trước không biết chữ hoặc gặp khó khăn trong việc tiếp cận, thao tác trên các thiết bị viễn thông hiện đại như điện thoại thông minh. Khi xảy ra tình huống nguy cấp hoặc sự cố bất ngờ lúc ở một mình, các thao tác quay số hay tìm kiếm danh bạ trên điện thoại trở nên quá phức tạp, đôi khi bất khả thi. Xuất phát từ thực trạng đó, đề tài "Thiết bị hỗ trợ liên lạc khẩn cấp" được thực hiện nhằm chế tạo một thiết bị đeo tay đơn giản hóa tối đa quy trình liên lạc cứu hộ thông qua thao tác bấm nút cơ bản.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm 6 nội dung chính:

1. Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, tập lệnh và các ngoại vi của vi điều khiển ATmega2560-16AU.
2. Thiết kế giao tiếp giữa vi điều khiển với màn hình OLED và cảm biến đo nhịp tim Pulse Sensor.
3. Thiết kế mạch và lập trình đọc dữ liệu thời gian thực từ IC chuyên dụng DS1307.
4. Thiết kế và lập trình thu thập, giải mã dữ liệu tọa độ vị trí từ module GPS NEO-6MV2.
5. Thiết kế và lập trình điều khiển giao tiếp với module truyền thông GSM/GPRS SIM900A.
6. Thiết kế bo mạch in (PCB), gia công vỏ bọc, thi công lắp ráp mô hình hoàn chỉnh và cân chỉnh hoạt động thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị phần cứng nhúng tích hợp vi điều khiển, các module cảm biến sinh hiệu (nhịp tim), định vị toàn cầu (GPS) và truyền thông vô tuyến (GSM) phục vụ mục đích cứu hộ cá nhân.
• Đối tượng sử dụng: Hướng đến người cao tuổi, trẻ em, người neo đơn hoặc những cá nhân có nhu cầu giám sát sức khỏe và an toàn khẩn cấp.
• Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trong khoảng thời gian 4 tháng, hoàn thành vào tháng 07/2017. Phạm vi liên lạc thoại và tin nhắn SMS hoạt động trên hạ tầng mạng viễn thông di động tiêu chuẩn.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung kỹ thuật của đề tài dựa trên nền tảng hệ thống nhúng điều khiển tự động và truyền thông không dây, bao gồm các thành phần cốt lõi:

• Vi điều khiển AVR ATmega2560-16AU: Chip vi điều khiển 8-bit công suất thấp của hãng Atmel dựa trên kiến trúc RISC nâng cao, vận hành ở xung nhịp 16 MHz cho hiệu năng đạt 16 MIPS. Cấu trúc bộ nhớ gồm 256 KB bộ nhớ Flash lập trình lại được (chia thành Application Flash Section và Boot Flash Section, độ bền 10.000 chu kỳ ghi/xóa), 8 KB SRAM nội bộ và 4 KB EEPROM (độ bền 100.000 chu kỳ ghi/xóa). Vi điều khiển tích hợp 135 tập lệnh, 32 thanh ghi làm việc 8-bit (R0–R31), khối giám sát Watchdog Timer (sử dụng dao động nội 128 kHz), cùng các chuẩn giao tiếp phần cứng USART, SPI và I2C (Two-Wire Interface - TWI tốc độ lên đến 400 kHz).
• Module GSM/GPRS SIM900A: Thiết bị truyền dữ liệu vô tuyến hoạt động trên hai băng tần EGSM 900 MHz và DCS 1800 MHz, tương thích chuẩn GPRS đa khe lớp 8/10. SIM900A có kích thước 24 mm x 24 mm x 3 mm, hỗ trợ giao tiếp chuẩn DTE-DCE qua cổng nối tiếp UART (tốc độ baud có thể cấu hình), tích hợp tập lệnh AT mở rộng và ngăn xếp giao thức TCP/IP.
• Module GPS NEO-6MV2: Sử dụng giải pháp định vị vệ tinh của hãng U-blox (Thụy Sĩ), có khả năng thu nhận tín hiệu tọa độ địa lý toàn cầu với độ nhạy cao, tiêu thụ điện năng thấp, giao tiếp với vi điều khiển thông qua chuẩn UART.
• Mạch thời gian thực DS1307 và cảm biến Pulse Sensor: IC DS1307 đếm thời gian thực (giây, phút, giờ, ngày, tháng, năm) đồng bộ qua bus I2C; cảm biến quang học Pulse Sensor chuyển đổi tín hiệu biến thiên lưu lượng máu ở mao mạch thành điện áp analog để vi điều khiển xử lý thành số đo nhịp tim (nhịp/phút).
• Màn hình hiển thị OLED: Kích thước 0.96 inch, độ tương phản cao, giao tiếp dữ liệu số để hiển thị menu giao diện, thời gian, trạng thái kết nối và nhịp tim.

Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm được triển khai theo quy trình kỹ thuật:

• Phương pháp phân tích và thiết kế phần cứng: Phân tích yêu cầu chức năng, lập sơ đồ nguyên lý từng khối ngoại vi, thiết kế mạch in PCB hai lớp (Top Layer và Bottom Layer).
• Phương pháp thiết kế và gia công cơ khí: Dựng mô hình 3D cho phần thân hộp và nắp đậy của thiết bị, sử dụng công nghệ in 3D để tạo vỏ bọc vật lý.
• Phương pháp lập trình và tích hợp hệ thống nhúng: Sử dụng môi trường Arduino IDE để xây dựng mã nguồn điều khiển bằng ngôn ngữ C/C++; thiết kế mạch nạp và nạp chương trình Bootloader cho vi điều khiển dán ATmega2560-16AU trước khi nạp ứng dụng chính.
• Phương pháp thực nghiệm kiểm thử: Đánh giá độ ổn định của việc kích hoạt cuộc gọi, đo đạc độ trễ nhận tọa độ GPS, kiểm tra tính chính xác của dữ liệu tin nhắn SMS chứa liên kết Google Maps và phép đo nhịp tim thực tế.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 7 khối chức năng chính xoay quanh bộ xử lý trung tâm ATmega2560-16AU.

Khối chức năng	Linh kiện / Công nghệ sử dụng	Chức năng kỹ thuật chính
Khối xử lý trung tâm	Vi điều khiển ATmega2560-16AU (Atmel)	Xử lý thuật toán, quản lý ngắt, đọc dữ liệu cảm biến, điều khiển truyền thông ngoại vi
Khối hiển thị	Màn hình OLED 0.96 inch	Hiển thị giao diện người dùng, đồng hồ thời gian, thực đơn chức năng, chỉ số nhịp tim
Khối thời gian thực	IC DS1307 + Thạch anh 32.768 kHz	Cung cấp thông tin ngày, giờ, phút, giây liên tục qua giao tiếp I2C
Khối cảm biến	Pulse Sensor	Thu nhận tín hiệu quang học từ mao mạch ngón tay, xuất điện áp tương tự về cổng ADC
Khối điều khiển	Hệ thống nút nhấn cơ học	Nút chức năng SOS khẩn cấp, các nút điều hướng chọn menu và gửi tin nhắn nhanh
Khối thực thi & Cảnh báo	Module SIM900A, Loa Buzzer	Thực hiện cuộc gọi thoại, gửi tin nhắn SMS chứa tọa độ GPS, phát âm thanh báo thức/cảnh báo
Khối nguồn	IC ổn áp AMS1117 5V và AMS1117 3.3V	Chuyển đổi và duy trì mức điện áp ổn định 5V và 3.3V cho toàn bộ hệ thống

Quy trình triển khai kỹ thuật:

1. Thiết kế mạch in PCB: Thiết kế đường mạch hai lớp cho bo điều khiển chính, tối ưu hóa đường cấp nguồn và các đường truyền tín hiệu tần số cao (UART, I2C, SPI), sau đó gia công và hàn lắp linh kiện dán bề mặt (SMD).
2. Nạp Bootloader cho vi điều khiển: Thiết lập mạch nạp ngoài thông qua chuẩn giao tiếp chuyên dụng để nạp Bootloader cho chip ATmega2560-16AU, cho phép nhận mã nguồn trực tiếp từ máy tính qua phần mềm Arduino IDE.
3. Cấu trúc giải thuật phần mềm:
   • Chương trình chính (Main flow): Khởi tạo các thanh ghi, cổng I/O, cấu hình tốc độ baud UART cho SIM900A và GPS NEO-6MV2, kiểm tra kết nối DS1307 và OLED, quét phím bấm liên tục.
   • Chương trình con hiển thị Menu: Cho phép duyệt qua các chức năng xem giờ, đo nhịp tim, hẹn giờ báo thức và gửi tin nhắn nhanh.
   • Chương trình con SOS: Khi nhận tín hiệu từ nút bấm khẩn cấp, hệ thống lập tức trích xuất kinh độ/vĩ độ từ chuỗi dữ liệu GPS (chuẩn NMEA), tự động kích hoạt lệnh AT qua SIM900A để thực hiện cuộc gọi đến số điện thoại khẩn cấp đã cài đặt trước, đồng thời gửi SMS chứa đường dẫn tọa độ định dạng Google Maps.
   • Chương trình con đo nhịp tim: Đọc tín hiệu ADC từ Pulse Sensor, thực hiện lọc nhiễu và đếm xung đỉnh sóng để tính toán nhịp tim trên phút (BPM) rồi hiển thị lên OLED.
   • Chương trình con báo thức & Quick Sent: Quản lý giờ hẹn so khớp với IC DS1307 để kích hoạt buzzer; cung cấp mẫu tin nhắn cài đặt trước gửi nhanh đến người thân.
4. Thiết kế vỏ bọc 3D: Thiết kế bản vẽ 3D gồm thân hộp và nắp đậy với các khe hở chính xác cho màn hình OLED, cảm biến nhịp tim, nút bấm và ăng-ten; in 3D và lắp ráp toàn bộ linh kiện thành một khối hoàn chỉnh.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, mục đích và giới hạn đề tài

Chương 1 phân tích bối cảnh xã hội và tính cấp thiết của thiết bị cảnh báo tai nạn, cứu trợ khẩn cấp tại Việt Nam. Tác giả dẫn chứng số liệu khảo sát tai nạn thương tích năm 2010 của Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội trên 50.000 hộ gia đình thuộc 63 tỉnh thành để làm rõ nguy cơ thương vong cao ở người già và trẻ em. Chương này xác định mục tiêu thiết kế một thiết bị hỗ trợ liên lạc tức thời chỉ bằng thao tác một nút bấm, giới hạn phạm vi đề tài vào việc tích hợp màn hình OLED 0.96 inch, đo nhịp tim, gọi điện/nhắn tin GSM và định vị vị trí người dùng qua liên kết Google Maps.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết về phần cứng và các chuẩn truyền thông số. Nội dung tập trung vào:

• Cấu trúc bên trong của họ vi điều khiển AVR và vi điều khiển ATmega2560-16AU: phân bố bộ nhớ Flash, SRAM nội/ngoại, EEPROM, thanh ghi trạng thái SREG, cơ chế ngắt và các chế độ nghỉ (Sleep modes).
• Nguyên lý hoạt động của khối Watchdog Timer, cơ chế Reset và các chuẩn giao tiếp nối tiếp: SPI (truyền thông song công 3 dây), USART (truyền thông dị bộ/đồng bộ) và giao tiếp 2 dây (I2C/TWI tốc độ 400 kHz).
• Module truyền thông SIM900A: sơ đồ chân, chức năng điều khiển qua tập lệnh AT, sơ đồ ghép nối giao tiếp UART (DCE-DTE) và kết nối thẻ SIM Card (SIM_VDD, SIM_DATA, SIM_CLK, SIM_RST, SIM_PRESENCE).
• Module GPS NEO-6MV2: nguyên lý định vị vệ tinh, sơ đồ khối và cấu trúc giao tiếp dữ liệu.

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế kỹ thuật của hệ thống. Tác giả xây dựng sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý chi tiết cho từng phần:

• Mạch vi điều khiển ATmega2560-16AU, mạch dao động thạch anh và các cổng mở rộng.
• Mạch giao tiếp màn hình OLED 0.96 inch và mạch ghép nối IC thời gian thực DS1307.
• Mạch cảm biến nhịp tim Pulse Sensor kết nối với chân analog của vi điều khiển.
• Mạch kết nối module SIM900A và module GPS NEO-6MV2 với cổng UART phần cứng.
• Mạch nguồn hạ áp sử dụng IC ổn áp AMS1117-5V và AMS1117-3.3V.
• Mạch nạp Bootloader và quy trình cấu hình nạp chip trên phần mềm Arduino IDE.
• Hệ thống lưu đồ giải thuật hoàn chỉnh cho chương trình chính, menu điều khiển, chương trình con đọc thời gian thực, hẹn giờ báo thức, gửi tin nhắn nhanh (QUICK SENT) và chương trình xử lý cuộc gọi/tin nhắn khẩn cấp (SOS).

Chương 4: Kết quả đạt được và hướng dẫn sử dụng

Chương 4 công bố các kết quả thực nghiệm sau 4 tháng triển khai:

• Bản vẽ mạch in PCB (lớp Top và Bottom) và hình ảnh thực tế của bo mạch sau khi gia công, hàn lắp linh kiện.
• Bản vẽ thiết kế 3D và sản phẩm vỏ hộp, nắp đậy sau khi hoàn thiện bằng máy in 3D (kèm bảng thông số kỹ thuật in 3D).
• Hình ảnh thiết bị hoàn chỉnh và minh họa hoạt động của các chức năng thực tế trên màn hình OLED: chức năng SOS khẩn cấp, chức năng xem thời gian thực, chức năng đo nhịp tim (hiển thị BPM), chức năng hẹn giờ báo thức và chức năng gửi tin nhắn nhanh.
• Hướng dẫn vận hành chi tiết: bố trí vị trí các nút chức năng, nút điều hướng, vị trí đặt cảm biến và các bước thao tác cho người dùng.

---

Kết quả và đóng góp

Thiết bị được thi công hoàn thiện thành công với dạng khối tích hợp (SOOS watches), vận hành đúng tiến độ nghiên cứu 4 tháng và đạt được các kết quả cụ thể:

• Kết quả phần cứng:
  • Chế tạo thành công bo mạch điều khiển chính 2 lớp nhỏ gọn, liên kết đầy đủ các module: ATmega2560-16AU, SIM900A, GPS NEO-6MV2, DS1307, Pulse Sensor, OLED 0.96 inch, loa buzzer và bộ nguồn ổn áp kép AMS1117 (5.0V / 3.3V).
  • Hoàn thiện vỏ hộp và nắp đậy bảo vệ bằng công nghệ in 3D, định vị chắc chắn các cổng giao tiếp, màn hình hiển thị, nút bấm vật lý và cảm biến quang học.
• Kết quả chức năng phần mềm:
  • Chức năng khẩn cấp (SOS): Kích hoạt tự động qua 1 nút nhấn, thực hiện cuộc gọi trực tiếp đến số người thân định sẵn và gửi tin nhắn SMS chứa tọa độ thực tế kèm đường link liên kết Google Maps.
  • Chức năng sinh hiệu: Đo và hiển thị thông số nhịp tim người dùng theo thời gian thực lên màn hình OLED.
  • Chức năng tiện ích: Hiển thị chính xác ngày, giờ từ IC DS1307; cho phép cài đặt và phát chuông báo thức qua loa buzzer; tích hợp chức năng gửi tin nhắn nhanh (QUICK SENT) cho các nhu cầu liên lạc thường nhật.
• Đóng góp của đồ án:
  • Cung cấp một giải pháp thiết bị hỗ trợ liên lạc khẩn cấp chuyên biệt cho đối tượng yếu thế (người già, trẻ em), giải quyết triệt để rào cản thao tác phức tạp của điện thoại thông minh truyền thống trong tình huống nguy cấp.
  • Hiện thực hóa quy trình thiết kế từ sơ đồ lý thuyết, vẽ mạch PCB, nạp Bootloader trực tiếp cho chip vi điều khiển dán bề mặt ATmega2560 đến gia công cơ khí vỏ bọc 3D.
  • Tạo nền tảng phần cứng nhúng mở, có khả năng tái lập trình và phát triển mở rộng các thuật toán cảnh báo nâng cao trong tương lai.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung đồ án, các điểm hạn chế và hướng mở phát triển được tác giả ghi nhận như sau:

• Hạn chế:
  • Thiết bị còn sử dụng các module phần cứng ghép nối trên bo mạch nên kích thước tổng thể của sản phẩm hoàn thiện vẫn còn tương đối dày so với một chiếc đồng hồ đeo tay thương mại thông thường.
  • Việc tiêu thụ năng lượng khi duy trì liên tục module GPS và SIM900A đòi hỏi giải pháp tối ưu nguồn pin tốt hơn cho việc sử dụng dài ngày.
  • Dữ liệu nhịp tim phụ thuộc vào sự ổn định vị trí tiếp xúc của cảm biến quang học với bề mặt da người dùng.
• Hướng phát triển tiếp theo:
  • Tối ưu hóa thiết kế phần cứng: tích hợp toàn bộ các linh kiện của vi điều khiển, GSM và GPS lên một bo mạch duy nhất (Single-board design) sử dụng 100% linh kiện dán SMD siêu nhỏ để thu gọn kích thước thiết bị.
  • Bổ sung các cảm biến chuyên dụng khác như cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển (cảm biến chuyển động) nhằm phát triển thuật toán tự động nhận diện tai nạn, té ngã mà không cần người dùng phải chủ động nhấn nút.
  • Nâng cấp thuật toán quản lý năng lượng, khai thác triệt để các chế độ ngủ (Sleep modes) của ATmega2560 và SIM900A để kéo dài thời lượng pin.
  • Phát triển tính năng kết nối mạng đồng bộ dữ liệu sức khỏe lên máy chủ đám mây hoặc ứng dụng giám sát chuyên biệt dành cho người thân.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị học thuật và thực tiễn cho nhiều đối tượng nghiên cứu:

• Đối tượng hưởng lợi: Sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Máy tính, Cơ điện tử và Kỹ thuật Y sinh đang thực hiện các đề tài nghiên cứu về hệ thống nhúng, thiết bị đeo thông minh (wearable devices) và hệ sinh thái IoT y tế - cứu nạn.
• Các nội dung có giá trị tham khảo cao:
  • Thiết kế phần cứng: Sơ đồ nguyên lý giao tiếp chi tiết giữa ATmega2560 với module SIM900A qua chuẩn UART và IC thời gian thực DS1307 qua chuẩn I2C.
  • Quy trình kỹ thuật: Hướng dẫn cách tạo mạch nạp, thiết lập phần cứng và nạp Bootloader trực tiếp cho vi điều khiển dán ATmega2560-16AU bằng Arduino IDE.
  • Lập trình nhúng: Cấu trúc các lưu đồ thuật toán quản lý đa nhiệm đơn giản trên vi điều khiển 8-bit (xử lý giao diện hiển thị, quét phím, trích xuất dữ liệu GPS NMEA và gửi tập lệnh AT điều khiển cuộc gọi/tin nhắn).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Quy trình xử lý của thiết bị khi người dùng kích hoạt nút bấm khẩn cấp SOS diễn ra như thế nào?
Khi người dùng nhấn nút SOS, vi điều khiển ATmega2560 sẽ kích hoạt chương trình con SOS, lập tức lấy dữ liệu tọa độ địa lý (kinh độ, vĩ độ) hiện tại từ module GPS NEO-6MV2. Sau đó, vi điều khiển truyền tập lệnh AT tới module SIM900A để thực hiện cuộc gọi khẩn cấp đến số điện thoại đã được cài đặt trước, đồng thời tự động soạn và gửi tin nhắn SMS chứa đường liên kết Google Maps tương ứng với vị trí tọa độ của nạn nhân.

2. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn vi điều khiển ATmega2560-16AU cho hệ thống này?
ATmega2560-16AU là dòng vi điều khiển 8-bit công suất thấp với cấu trúc RISC mạnh mẽ (135 tập lệnh, thực thi 1 chu kỳ máy, đạt 16 MIPS tại 16 MHz). Vi điều khiển này sở hữu dung lượng bộ nhớ lớn (256 KB Flash, 8 KB SRAM, 4 KB EEPROM) cùng số lượng cổng I/O và kênh truyền thông phần cứng dồi dào (hỗ trợ nhiều cổng USART, SPI, I2C, ADC 10-bit), đáp ứng đồng thời việc kết nối nhiều module ngoại vi (SIM900A, GPS, OLED, DS1307, Pulse Sensor) mà không bị giới hạn tài nguyên.

3. Khối nguồn của thiết bị được thiết kế với các mức điện áp nào và sử dụng linh kiện gì?
Khối nguồn của thiết bị được thiết kế hạ áp và ổn áp thành hai mức điện áp tiêu chuẩn là 5V và 3.3V nhằm cung cấp nguồn điện phù hợp cho các module chức năng khác nhau. Mạch sử dụng các IC ổn áp tuyến tính chuyên dụng gồm AMS1117 5V và AMS1117 3.3V kết hợp với các tụ lọc nguồn để đảm bảo điện áp vận hành ổn định.

4. Module SIM900A giao tiếp với vi điều khiển và thẻ SIM qua những chân tín hiệu nào?
Module SIM900A giao tiếp nối tiếp với vi điều khiển theo mô hình DCE-DTE qua cổng UART gồm các chân dữ liệu chính: RXD (chân 3 - nhận dữ liệu), TXD (chân 4 - truyền dữ liệu), cùng các chân điều khiển RTS, CTS, RI, DSR, DCD, DTR. Để kết nối với thẻ SIM Card, SIM900A sử dụng các chân: SIM_VDD (chân 30 - cấp nguồn 3V/1.8V), SIM_DATA (chân 31 - dữ liệu I/O), SIM_CLK (chân 32 - xung clock), SIM_RST (chân 33 - reset) và SIM_PRESENCE (chân 34 - phát hiện thẻ SIM).

5. Các chức năng phụ trợ nào đã được hiện thực hóa trên thiết bị ngoài tính năng gọi khẩn cấp?
Bên cạnh chức năng gọi và nhắn tin định vị khẩn cấp SOS, thiết bị còn tích hợp 4 chức năng phụ trợ: xem thông tin ngày/giờ thời gian thực từ IC DS1307, đo chỉ số nhịp tim bằng cảm biến Pulse Sensor hiển thị lên màn hình OLED, cài đặt hẹn giờ báo thức phát chuông qua loa buzzer, và tính năng gửi tin nhắn nhanh (QUICK SENT) theo các mẫu tin định sẵn.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết bị hỗ trợ liên lạc khẩn cấp" của nhóm tác giả Nguyễn Thành Mộng và Nguyễn Trương Đức Trọng (ngành Điện tử Công nghiệp, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã nghiên cứu và chế tạo thành công một thiết bị phần cứng nhúng hoàn chỉnh, đáp ứng nhu cầu cứu hộ và theo dõi sức khỏe cho người cao tuổi và trẻ em. Hệ thống tích hợp hiệu quả vi điều khiển ATmega2560-16AU với các khối chức năng SIM900A, GPS NEO-6MV2, Pulse Sensor, IC DS1307 và màn hình OLED 0.96 inch trong một vỏ bọc in 3D nhỏ gọn. Kết quả thử nghiệm chứng minh thiết bị vận hành chính xác các tính năng gọi điện, định vị vị trí qua Google Maps bằng một nút bấm, đo nhịp tim và hiển thị thời gian. Đề tài là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao về phương pháp thiết kế mạch, lập trình nhúng và tích hợp hệ thống phần cứng viễn thông - y tế cá nhân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO NGÀNH ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT BỊ HỖ TRỢ LIÊN LẠC KHẨN CẤP GVHD : THS. NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH : NGUYỄN THÀNH MỘNG MSSV : 13141600 SVTH : NGUYỄN TRƯƠNG ĐỨC TRỌNG MSSV : 13141564 SKL 0 0 4 9 6 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2017 Luan van ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên SV: NGUYỄN THÀNH MỘNG Mã số sinh viên: 13141600 NGUYỄN TRƢƠNG ĐỨC TRỌNG Mã số sinh viên: 13141564 Lớp: 13141CLDT1 - 13141CLDT2 Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Tên đề tài: THIẾT BỊ HỖ TRỢ LIÊN LẠC KHẨN CẤP.

Giáo viên hƣớng dẫn: THS.NGUYỄN ĐÌNH PHÚ Nhiệm vu ̣ nghiên cƣ́ u: + Nghiên cứu về vi điều khiển ATmega 2560-16AU. + Giao tiếp với màn hình OLED, Pulse Sensor. + Đọc thời gian thực từ IC DS1307. + Thiết kế và lập trình thu thập dữ liệu từ mudule GPS.

+ Thiết kế và lập trình giao tiếp module Sim900A. + Thi công mô hình thiết bị và cân chỉnh. i Luan van ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN THÀNH MỘNG MSSV: 13141600 NGUYỄN TRƢƠNG ĐỨC TRỌNG MSSV: 13141564 Ngành: CÔNG NGHỆ - KỸ THUẬT - ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Tên đề tài: THIẾT BỊ HỖ TRỢ LIÊN LẠC KHẨN CẤP Giáo viên hƣớng dẫn: THS. NGUYỄN ĐÌNH PHÚ NHẬN XÉT 1.

Về nội dung đề tài & khối lƣợng thực hiện:. Đề nghị cho bảo vệ hay không?. Đánh giá loại:. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Giáo viên hƣớng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) ii Luan van ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN THÀNH MỘNG MSSV: 13141600 NGUYỄN TRƢƠNG ĐỨC TRỌNG MSSV: 13141564 Ngành: CÔNG NGHỆ - KỸ THUẬT - ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Tên đề tài: THIẾT BỊ HỖ TRỢ LIÊN LẠC KHẨN CẤP Họ và tên Giáo viên phản biện:.

Về nội dung đề tài & khối lƣợng thực hiện:. Đề nghị cho bảo vệ hay không?. Đánh giá loại:. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) iii Luan van ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN Xin chân thành gửi lời cảm ơn chân thành đến với quý thầy cô khoa đào tạo Chất lƣợng cao đã giảng dạy chúng em trong suốt thời gian học tại trƣờng và tạo điều kiện thuận lợi để nhóm em thực hiện đề tài.

Cảm ơn gia đình, cha mẹ đã là nguồn động viên to lớn về vật tinh thần cũng nhƣ vật chất trong suốt thời gian học hành, để chúng em có đƣợc sự an tâm theo đuổi ƣớc mơ và sự nghiệp. Đặc biệt cảm ơn thầy Nguyễn Đình Phú đã tạo điều kiện và hƣớng dẫn chúng em cách học tập cũng nhƣ nghiên cứu để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp. Cuối cùng xin chúc gia đình, bạn bè và quý thầy, cô nhiều sức khỏe và thành công trong công việc. Xin chân thành cảm ơn! Nhóm thực hiện đề tài iv Luan van ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÓM TẮT Hiện nay, nhu cầu theo dõi tình trạng nguy hiểm cũng nhƣ liên lạc khi cấp thiết khi bị tai nạn hoặc các vấn đề đột xuất về sức khỏe đối với ngƣời thân mà đặc biệt là đối tƣợng ngƣời cao tuổi và trẻ em rất lớn.

Ngoài ra, vấn đề liên lạc từ xa đối với ngƣời cao tuổi cũng gặp nhiều khó khăn. Các thiết bị liên lạc thông dụng nhƣ điện thoại di động lại quá phức tạp khi sử dụng đối với ngƣời cao tuổi đặc biệt trong các trƣờng hợp cần liên lạc khẩn cấp. Chính vì lý do đó, nhóm đã quyết định tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện một thiết bị đáp ứng các yêu cầu trên. Cùng với sự phát triển vƣợt bậc của khoa học kỹ thuật, việc chế tạo các thiết bị cảnh báo và liên lạc dần trở nên dễ dàng hơn từ phần cứng cho tới phần mền.

Và sau 4 tháng nghiên cứu chế tạo và phát triển, nhóm đã thực hiện thành công đề tài - thiết bị đúng với lịch trình đề ra. Thiết bị đƣợc tạo ra với mục đích giúp hỗ trợ liên lạc, các chức năng cơ bản nhƣ xem giờ, báo thức và có thêm chức năng đo nhịp tim khá hữu ích đối với ngƣời lớn tuổi. Ngoài ra, thiết bị còn có thể lập trình, giúp mở rộng thêm các chức năng cũng nhƣ để phát triển các thiết bị tốt hơn trong tƣơng lai. v Luan van ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SUMMARY Currently, the need to track the status of emergency as well as emergency communication at an accident or unexpected health issues of people, especially the elderly and children.

In addition, the problem of communication for the elderly is many difficulties. Popular communication devices such as mobile phones are too complex to use for the elderly, especially in cases of urgent contact. For that reason, the team decided to explore, research and implement a device that solve the problem above. With the rapid development of science and technology, the creation of warning and communication devices has gradually become easier from hardware to software.

And after 4 months of research and development, the team has successfully implemented the device - SOOS watches. The device was created for the purpose of facilitating communication, and basic functions such as time, alarm and heart rate measurance. In addition, the device can be programmed to extend functionality as well as to develop better devices in the future. vi Luan van ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN .ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN.

iii LỜI CẢM ƠN .vi Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU. MỤC ĐÍCH VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI. Mục đích của đề tài.

Giới hạn đề tài. NỘI DUNG THỰC HIỆN. VI ĐIỀU KHIỂN. Vi điều khiển họ AVR.

Vi điều khiển Atemage 2560-16AU. MODULE GPS NEO-6MV2. 40 THIẾT KẾ HỆ THỐNG .1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG. 41 vii Luan van ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.1 Sơ đồ khối hệ thống.1 Khối xử lí trung tâm.2 Khối hiển thị .3 Khối thời gian thực.4 Khối cảm biến.5 Khối tạo tín hiệu điều khiển.6 Khối thực thi.7 Khối nguồn cung cấp.3 LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƢƠNG TRÌNH .1 Lƣu đồ giải thuật trên mạch điều khiển.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC PHẦN LÝ THUYẾT.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC PHẦN THỰC HÀNH.1 Thiết kế mạch in.2 Thi công mạch thực tế.3 THIẾT KẾ VỎ BỌC .4 HOÀN THIỆN SẢN PHẨM VÀ HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG.1 Hoàn thiện sản phẩm .5 HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG .1 Các nút chức năng, nút điều hƣớng và cảm biến .2 Các chức năng của thiết bị và cách sử dụng.

86 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN. 87 viii Luan van ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO. 89 ix Luan van ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƢƠNG 2 Hình 2-1. Cấu trúc bên trông AVR.

Tổ chức bộ nhớ của AVR. Thanh ghi 8 bit. Thanh ghi trạng thái. Sơ đồ chân ATemega2560-16AU.

Cấu trúc hệ thống. Cấu trúc bộ nhớ chƣơng trình Flash. Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu. Sơ đồ vòng truy cập bộ nhớ dữ liệu SRAM.

Sơ đồ bộ nhớ ngoại với Wait-state (SRWn1=0 and SRWn0=0). Sơ đồ chu kì bộ nhớ ngoại SRW n1 = 0 và SRW n0 = 1. Sơ đồ chu kì bộ nhớ ngoại SRWn1 = 1 và SRWn0 = 0. Sơ đồ chu kì bộ nhớ ngoại SRW n1 = 1 và SRW n0 = 1.

Địa chỉ với bộ phát tín hiệu logic. Mức logic Reset AVR. Giản đồ xung Reset theo mức điện áp. Sơ đồ khối chuẩn giao tiếp SPI.

Kết nối chủ-tớ theo chuẩn SPI. Sơ đồ nguyên lý kết nối chuẩn USART. 28 x Luan van ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2-23. Sơ đồ kết nối chuẩn giao tiếp 2 dây.

Sơ đồ chân Module Sim900A. Sơ đồ chức năng của sim900A. Kết nối DCE-DTE. Sơ đồ kết nối Sim Card.

Module GPS 6MV2. Sơ đồ khối Module GPS Neo 6MV2. Sơ đồ chân của GPS NEO 6MV2. Giản đồ thời gian giao tiếp SPI.

39 CHƢƠNG 3 Hình 3-1. Sơ đồ khối hệ thống. Sơ đồ kết nối vi điều khiển. Màn hình Oled 1.

Sơ đồ nguyên lý kết nối OLED. 8 Thanh ghi thời gian thực. Sơ đồ kết nối DS1307 với vi điều khiển. Sơ đồ nguyên lý kết nối DS1307.

Sơ đồ nguyên lý kết nối Pulse Sensor. Nút nhấn đƣợc sử dụng. Sơ đồ nguyên lý khối tạo tín hiệu điều khiển. 53 xi Luan van ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 3-15.

Mạch nguyên lý kết nối module sim900A với vi điều khiển. Sơ đồ mạch nguyên lý kết nối GPS. Hình dạng và sơ đồ chân IC ổn áp AMS1117 5V. IC ổn áp ASM1117 3.

Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn. Sơ đồ mạch nguyên lý nạp Bootloader cho Atemega 2560_16AU. Chọn code nạp Bootloader. Chọn board dùng để nạp.

Chọn board cần nạp Bootloader. Sơ đồ nguyên lý mạch nạp. Lƣu đồ chƣơng trình chính. Lƣu đồ chƣơng trình con hiển thị menu chính.

Lƣu đồ chƣơng trình con gửi tin nhắn nhanh. Lƣu đồ chƣơng trình con đọc thời gian thực. Lƣu đồ chƣơng trình con hẹn giờ báo thức. Lƣu đồ chƣơng trình con SOS.

71 CHƢƠNG 4 Hình 4-1. Lớp bottom PCB mạch điều khiển. Lớp Top PCB mạch điều khiển. Mặt trên của mạch sau khi thi công thực tế.

Mặt dƣới của mạch sau khi thi công thức tế. Bản vẽ 3D hộp. 77 xii Luan van ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 4-6. Bản vẽ 3D nắp.

Nắp và hộp sau đƣợc in. Sắp xếp các module, linh kiện thành 1 khối thiết bị. Sản phẩm hoàn thiện. Bố trí các nút chức năng, điều hƣớng và cảm biến nhịp tim.

Màn hình khi thực hiện chức năng khẩn cấp - SOS. Chức năng xem thời gian. Chức năng đo nhịp tim. Chức năng hẹn giờ báo thức.

Chức năng QUICK SENT. 85 xiii Luan van ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƢƠNG 2 Bảng 2-1. Các đặc trƣng của Reset AVR. Thuật ngữ chuẩn giao tiếp 2 dây.

Mô tả chức năng các chân giao tiếp UART.Mô tả chức năng các chân giao tiếp Sim Card. Chức năng các chân của GPS 6MV2. 37 CHƢƠNG 3 Bảng 3-1. Thông số kỹ thuật màn hình OLED.

Thông số kỹ thuật Pulse sensor. 52 CHƢƠNG 4 Bảng 4-1. Thông số kỹ thuật in 3D. 76 xiv Luan van ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1 Luan van ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.

TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU.