Đồ án HCMUTE: Thiết kế và thi công bộ điều khiển hồng ngoại đa năng điều khiển qua smartphone

Đồ án nghiên cứu hcmute thiết kế và thi công bộ điều khiển hồng ngoại đa năng điều khiển qua smarphone, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả

• Tác giả: Nguyễn Văn Huy
• Người hướng dẫn: ThS. Trương Ngọc Anh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Bộ Điều Khiển Hồng Ngoại Đa Năng Điều Khiển Qua Smartphone
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Thiết kế bộ điều khiển hồng ngoại đa năng

Đề tài tập trung vào thiết kế bộ điều khiển hồng ngoại đa năng điều khiển qua smartphone. Đây là một dự án tốt nghiệp HCMUTE thuộc ngành kỹ thuật điện tử truyền thông. Mục tiêu chính là tạo ra một thiết bị nhỏ gọn, dễ lắp đặt, có khả năng điều khiển nhiều thiết bị gia dụng như Tivi, điều hòa, quạt thông qua tín hiệu hồng ngoại. Việc điều khiển được thực hiện thông qua một ứng dụng trên smartphone, kết nối qua Wifi hoặc Bluetooth. Đề tài này phản ánh xu hướng điều khiển thiết bị bằng smartphone, nhấn mạnh vào tính ứng dụng thực tiễn của công nghệ Internet of Things (IoT) trong đời sống.

1.1. Phân tích yêu cầu hệ thống

Yêu cầu của hệ thống bao gồm khả năng học lệnh hồng ngoại từ các remote điều khiển từ xa, khả năng truyền dữ liệu giữa smartphone và module điều khiển. Việc thiết kế mạch điều khiển hồng ngoại cần đáp ứng độ chính xác cao và độ ổn định trong quá trình hoạt động. Chọn lựa ESP8266 hoặc ESP32 như nền tảng vi điều khiển cho khả năng kết nối không dây hiệu quả. Ứng dụng điều khiển trên smartphone cần có giao diện thân thiện, dễ sử dụng và tương thích với cả hệ điều hành Android và iOS. Thiết kế phần mềm cũng phải đảm bảo tính bảo mật và hiệu quả truyền dữ liệu. Cơ sở dữ liệu Firebase được lựa chọn để lưu trữ dữ liệu mã hồng ngoại và cấu hình thiết bị. Arduino được sử dụng để lập trình vi điều khiển, cho phép lập trình và kiểm soát mạch dễ dàng. Thiết kế phần cứng phải nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và đáp ứng được yêu cầu về độ bền. Các thành phần mạch điện tử được lựa chọn cần phải có chất lượng cao và giá thành hợp lý. Cảm biến hồng ngoại được chọn cần có độ nhạy cao và khả năng lọc nhiễu tốt. Giao tiếp không dây cần đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu ổn định và độ tin cậy cao.

1.2. Thiết kế mạch và phần mềm

Thiết kế mạch điều khiển bao gồm mạch thu tín hiệu hồng ngoại, mạch xử lý trung tâm dựa trên vi điều khiển (Arduino hoặc ESP), mạch phát tín hiệu hồng ngoại và mạch nguồn. Vi điều khiển Atmega328P-PU có thể được sử dụng cho việc xử lý tín hiệu hồng ngoại. Thiết kế phần mềm bao gồm phần mềm điều khiển trên smartphone (Android) và phần mềm nạp cho vi điều khiển. Phần mềm smartphone cần có khả năng phát triển ứng dụng điều khiển (lập trình ứng dụng di động), kết nối với module Wifi ESP8266 mini hoặc module Bluetooth HC05, gửi và nhận dữ liệu từ cơ sở dữ liệu Firebase. Phần mềm cho vi điều khiển sẽ chịu trách nhiệm giải mã tín hiệu hồng ngoại, truyền nhận dữ liệu qua Wifi/Bluetooth và điều khiển mạch phát tín hiệu. Thiết kế phần cứng và thiết kế phần mềm cần được tích hợp chặt chẽ để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Lập trình ứng dụng di động yêu cầu kiến thức sâu rộng về lập trình Android và xử lý dữ liệu. Thiết kế giao diện cần đơn giản, dễ hiểu và đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng. Quá trình học lệnh cần đảm bảo độ chính xác và hiệu quả.

1.3. Thử nghiệm và đánh giá

Sau khi hoàn thành thiết kế và thi công, hệ thống sẽ được thử nghiệm với các thiết bị gia dụng khác nhau. Quá trình thử nghiệm thực tế sẽ đánh giá hiệu quả của việc học lệnh, độ chính xác của tín hiệu điều khiển và độ ổn định của hệ thống. Các thông số kỹ thuật quan trọng như khoảng cách điều khiển, độ trễ tín hiệu và độ tin cậy của kết nối không dây sẽ được ghi nhận và phân tích. Đánh giá sản phẩm sẽ bao gồm cả hiệu suất kỹ thuật và tính khả dụng của sản phẩm. Kết quả đạt được sẽ được trình bày chi tiết, bao gồm cả thành công và hạn chế của dự án. Báo cáo khoa học về điều khiển hồng ngoại sẽ tổng hợp toàn bộ quá trình nghiên cứu, thiết kế, thử nghiệm và đánh giá. Tài liệu tham khảo thiết kế điều khiển hồng ngoại sẽ được liệt kê đầy đủ để người đọc có thể tham khảo thêm. Ứng dụng điều khiển thiết bị gia dụng của hệ thống sẽ được đánh giá về tính tiện dụng và hiệu quả trong sử dụng. Điều khiển TV bằng smartphone, điều khiển điều hòa bằng smartphone, điều khiển quạt bằng smartphone là những ví dụ cụ thể về ứng dụng thực tiễn của dự án.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài "Thiết kế và thi công bộ điều khiển hồng ngoại đa năng điều khiển qua Smartphone" là đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông do sinh viên Nguyễn Văn Huy và Trương Quốc Đạt thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Trương Ngọc Anh 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 (thời gian thực hiện từ 25/09/2017 đến 16/01/2018).

Bối cảnh thực tiễn được tác giả nêu rõ xuất phát từ sự phổ biến của các thiết bị gia dụng và nghe nhìn trong gia đình như tivi, máy điều hòa không khí, quạt điện, đầu DVD. Đa số các thiết bị này được vận hành thông qua các bộ điều khiển từ xa (remote) sử dụng sóng hồng ngoại riêng biệt. Việc quản lý đồng thời nhiều remote dẫn đến sự bất tiện khi thiết bị bị thất lạc, hỏng hóc hoặc hết pin. Đồng thời, xu hướng kết nối vạn vật qua Internet (Internet of Things – IoT) và sự phát triển của điện thoại thông minh tạo cơ sở cho việc tích hợp chức năng điều khiển tập trung các thiết bị từ xa qua kết nối mạng không dây. Mặc dù thị trường đã xuất hiện một số thiết bị thương mại như Xiaomi IR Mi Remote 360, Broadlink RM-Pro, RM-Mini 3, SmartZ SRM hay Xiaomi Mi Smart Home Gateway, việc nghiên cứu cơ chế thu phát tín hiệu hồng ngoại và xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh từ phần cứng đến phần mềm vẫn mang giá trị kỹ thuật thực tiễn.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

1. Thiết kế và thi công một bo mạch điện tử có kích thước nhỏ gọn, lắp đặt vừa vặn trong hộp bảo vệ bằng vật liệu mica.
2. Xây dựng khả năng học lệnh (thu và giải mã) từ các remote hồng ngoại có sẵn của nhiều thiết bị gia dụng khác nhau.
3. Điều khiển thiết bị từ điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android thông qua hai phương thức truyền thông không dây: mạng Wifi (kết nối Internet thông qua cơ sở dữ liệu thời gian thực) và Bluetooth.
4. Lập trình ứng dụng Android trên Android Studio, tích hợp cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase để đồng bộ mã lệnh điều khiển.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 9 nội dung cụ thể:

• Nội dung 1: Học lệnh remote từ các remote có sẵn.
• Nội dung 2: Nghiên cứu cách thức truyền dữ liệu lên cơ sở dữ liệu Firebase.
• Nội dung 3: Thiết kế mạch học lệnh và mạch phát sóng hồng ngoại.
• Nội dung 4: Tích hợp bo mạch với module Wifi ESP8266 và module Bluetooth.
• Nội dung 5: Viết ứng dụng điều khiển trên hệ điều hành Android.
• Nội dung 6: Viết chương trình điều khiển cho hệ thống nhúng.
• Nội dung 7: Thiết kế và thi công bo mạch phần cứng hoàn chỉnh.
• Nội dung 8: Thiết kế và lắp đặt bo mạch vào hộp bảo vệ mica.
• Nội dung 9: Đánh giá kết quả thực hiện của toàn bộ hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Tín hiệu sóng hồng ngoại tần số 38 kHz; vi điều khiển ATmega328P-PU; module truyền thông Wifi ESP8266 D1 Mini; module Bluetooth HC-05; cơ sở dữ liệu đám mây Firebase Realtime Database; ứng dụng di động trên nền tảng Android.
• Phạm vi không gian: Thử nghiệm điều khiển trong không gian phòng kín đối với các thiết bị gia dụng thực tế (Smart TV Box, máy điều hòa nhiệt độ Samsung, tivi, quạt máy); cự ly phát sóng hồng ngoại đạt hiệu quả trong bán kính dưới 10 mét.
• Phạm vi thời gian: Đồ án được triển khai và hoàn thành trong giai đoạn từ tháng 09/2017 đến tháng 01/2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết và công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông:

• Sóng hồng ngoại (Infrared Radiation – IR): Bức xạ điện từ có bước sóng trong dải từ 700 nm đến 1 mm. Trong điều khiển từ xa, sóng hồng ngoại được điều chế trên sóng mang có tần số danh định 36 kHz đến 38 kHz để chống nhiễu quang học từ môi trường. Tín hiệu nhị phân được mã hóa qua chuỗi xung; ví dụ với remote TV Sharp được đề cập trong tài liệu, một khung truyền gồm 5 bit địa chỉ/start, 8 bit dữ liệu và 2 bit stop trên sóng mang 36 kHz, thời gian truyền một chuỗi là 20 ms (bit 0 rộng 1000 µs, bit 1 rộng 2000 µs).
• Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Phương thức truyền thông nối tiếp không đồng bộ giữa các vi điều khiển và module ngoại vi. Khung truyền dữ liệu gồm Start bit, 5-8 Data bit, Parity bit và Stop bit; tốc độ baud danh định được thiết lập đồng bộ ở mức 9600 bps.
• Mạng không dây Wifi (chuẩn IEEE 802.11 b/g/n) trên băng tần 2.4 GHz và giao thức cấu hình Smartconfig (ESP-TOUCH): Cho phép truyền gói tin UDP từ smartphone đến Access Point của module Wifi nhằm mã hóa và truyền tải thông số SSID cùng mật khẩu mạng mà không cần nạp lại firmware.
• Chuẩn truyền thông Bluetooth: Chuẩn kết nối không dây tầm ngắn tần số 2.4 GHz tuân thủ thông số kỹ thuật Bluetooth v2.0 + EDR.
• Cơ sở dữ liệu đám mây Firebase: Dịch vụ đám mây cung cấp bởi Google với chức năng Firebase Realtime Database lưu trữ dữ liệu dưới định dạng NoSQL JSON, hỗ trợ đồng bộ dữ liệu thời gian thực đa nền tảng và cơ chế xác thực người dùng Firebase Authentication.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả áp dụng:

• Phương pháp tính toán và thiết kế mạch: Sử dụng phần mềm Proteus 8 để mô phỏng nguyên lý; tính toán thông số dòng điện, điện áp, chọn điện trở phân cực cho transistor kích công suất LED phát và mạch nguồn ổn áp.
• Phương pháp chế tạo phần cứng: Thiết kế mạch in hai lớp (Double-layer PCB), kết hợp công nghệ linh kiện dán bề mặt (SMD) và linh kiện xuyên lỗ (DIP); gia công cơ khí vỏ hộp bảo vệ bằng mica trong suốt.
• Phương pháp lập trình nhúng: Sử dụng môi trường Arduino IDE để lập trình cho vi điều khiển ATmega328P-PU và module ESP8266; tích hợp bộ thư viện chuyên dụng "Arduino-IRremote-master" để thu, phân tích và giải mã tín hiệu hồng ngoại.
• Phương pháp phát triển phần mềm di động: Ứng dụng phần mềm Android Studio để xây dựng giao diện người dùng và tích hợp Firebase SDK.
• Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Đo đạc mức độ tiêu thụ dòng điện của các khối mạch; kiểm thử khả năng học mã lệnh từ các remote thực tế và kiểm tra xác suất điều khiển thành công trên thiết bị gia dụng.

Nguồn dữ liệu tham khảo chính của đồ án gồm:

• Giáo trình "Lập trình Android trong ứng dụng điều khiển" của Nguyễn Văn Hiệp (Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM).
• Tài liệu "Điều Khiển Từ Xa Bằng Sóng Hồng Ngoại" của Nguyễn Đình Phú (Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM).
• Datasheet kỹ thuật từ các nhà sản xuất: Atmel (ATmega328P), Espressif Systems (ESP8266EX), Vishay/các hãng linh kiện (VS1838B, HC-05, TP4056, AMS1117).

Thiết kế và thi công hệ thống

Kiến trúc phần cứng

Hệ thống phần cứng hoàn chỉnh gồm 7 khối chức năng chính được tích hợp trên hai bo mạch: Bo mạch xử lý trung tâm và Bo mạch công suất phát hồng ngoại 360 độ.

Tên khối chức năng	Linh kiện chính sử dụng	Thông số kỹ thuật / Vai trò
Khối xử lý trung tâm	Vi điều khiển ATmega328P-PU	Vi điều khiển 8-bit RISC, xung nhịp 16 MHz (thạch anh ngoài), bộ nhớ Flash 32 KB, SRAM 2 KB, dòng tiêu thụ 0.2 mA. Đảm nhiệm thu, giải mã mã phím hồng ngoại và phát xung PWM.
Khối truyền thông Wifi	Module ESP8266 D1 Mini	SoC ESP8266EX 32-bit (80/160 MHz), bộ nhớ RAM khả dụng < 36 KB, Flash SPI ngoài 16 MB, dòng tiêu thụ trung bình 80 mA. Kết nối Internet để đồng bộ Firebase qua giao tiếp UART với ATmega328P.
Khối truyền thông Bluetooth	Module HC-05	Chuẩn Bluetooth v2.0+EDR băng tần 2.4 GHz, cự ly 12 m. Dòng tiêu thụ 30 mA (khi ghép đôi) và 8 mA (khi truyền dữ liệu). Kết nối UART với vi điều khiển ATmega328P.
Khối thu học lệnh	Cảm biến VS1838B	Thu tín hiệu hồng ngoại tần số sóng mang 38 kHz, điện áp 5 VDC, dòng hoạt động 1.5 mA.
Khối phát hồng ngoại	6 LED hồng ngoại TSAL6400 và 6 Transistor 2N2222	LED đường kính 5 mm, bước sóng 940 nm, dòng cực đại 100 mA; bố trí hướng tròn 360 độ. Kích dẫn bão hòa bằng transistor NPN 2N2222 (SOT-23-3).
Khối điều khiển & hiển thị	3 nút nhấn và 4 LED chỉ thị	Nút BTN1 (học lệnh), RST_ESP (reset module Wifi), SETTING (cấu hình Smartconfig); LED D1 (báo xung IR), D2 (trạng thái học lệnh), D6 (kết nối Firebase), D0 (nguồn ESP).
Khối nguồn hệ thống	Pin Li-ion Asus 3.85V 3000mAh, module TP4056, IC ASM1117-5.0	Cung cấp nguồn 5 VDC ổn định, dòng định mức 1 A. Dự phòng qua cổng sạc Adapter 5V–1A.

Tính toán thông số mạch

1. Tính toán dòng điện khối nguồn: Tổng dòng điện tiêu thụ lớn nhất của toàn bộ hệ thống ở mức điện áp 5 VDC được tính toán bằng tổng dòng tiêu thụ cực đại của từng thành phần:

• Cảm biến VS1838B: 1.5 mA
• Module Wifi ESP8266 D1 Mini: 80.0 mA
• Module Bluetooth HC-05: 30.0 mA
• Vi điều khiển ATmega328P-PU: 0.2 mA
• 4 LED báo hiệu trạng thái (mỗi LED tiêu thụ 10 mA): 40.0 mA Tổng dòng điện tiêu thụ tối đa tính toán là 151.7 mA. Khối nguồn sử dụng IC ổn áp ASM1117-5.0 có khả năng cung cấp dòng ngõ ra định mức 1 A kết hợp cùng pin Lithium-ion 3.85 V dung lượng 3000 mAh (3 A) và mạch sạc TP4056, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu công suất của mạch. Hệ thống sử dụng các tụ lọc đầu vào C2 (10 µF), C3 (100 nF) và đầu ra C4 (10 µF), C5 (100 nF) để triệt tiêu can nhiễu điện áp.

2. Tính toán tầng kích công suất LED phát hồng ngoại: Mỗi LED phát hồng ngoại hoạt động ở dòng danh định $I_{LED} = 20\text{ mA}$, điện áp sụt trên LED $V_{LED} \approx 1.2\text{ V} \div 1.5\text{ V}$ (khi tính toán ở chế độ xung chọn sụt áp danh định tương đương tải để bảo vệ linh kiện là 3 V). Transistor 2N2222 hoạt động ở chế độ dẫn bão hòa ($V_{CE} \approx 0\text{ V}$).

• Điện trở hạn dòng cực thu: $$R_C = \frac{V_{CC} - V_{LED}}{I_{LED}} = \frac{5\text{ V} - 3\text{ V}}{20\text{ mA}} = 100\ \Omega$$ Trong thi công thực tế, nhóm tác giả chuẩn hóa chọn giá trị điện trở $R_C = 120\ \Omega$.
• Điện trở phân cực cực bazơ ($R_B$): Với hệ số khuếch đại dòng điện $\beta = 85$, dòng điện cực bazơ yêu cầu là: $$I_B = \frac{I_C}{\beta} = \frac{20\text{ mA}}{85} \approx 0.235\text{ mA}$$ Áp dụng định luật Kirchhoff với điện áp kích từ chân vi điều khiển 5 V và sụt áp $V_{BE} = 0.7\text{ V}$: $$R_B = \frac{5\text{ V} - 0.7\text{ V}}{0.235\text{ mA}} \approx 18.3\text{ k}\Omega$$ Trong mạch công suất thi công thực tế, tác giả sử dụng điện trở dán SMD 0805 có giá trị $33\text{ k}\Omega$ để kích dẫn cho transistor 2N2222 dạng đóng gói SOT-23-3.

3. Tính toán điện trở cho LED chỉ thị: Điện áp hoạt động của LED báo là 2 V, dòng chọn 10 mA: $$R = \frac{5\text{ V} - 2\text{ V}}{10\text{ mA}} = 300\ \Omega \implies \text{chọn } R = 330\ \Omega$$

Thi công mạch in và đóng gói

• Mạch phát sóng hồng ngoại: Thi công dạng mạch in 2 lớp bằng linh kiện dán, kích thước chiều rộng 25.146 mm và chiều dài 28.575 mm. Bố trí 6 LED phát hồng ngoại quay ra các hướng xung quanh tạo góc phủ sóng 360 độ nhằm triệt tiêu điểm mù tín hiệu trong phòng.
• Bo mạch xử lý trung tâm: Kích thước chiều rộng 40.386 mm và chiều dài 57.15 mm. Tích hợp vi điều khiển ATmega328P-PU chân cắm DIP-28, các cổng cắm socket cho module ESP8266 D1 Mini, module HC-05, giắc kết nối cảm biến VS1838B và các nút nhấn điều khiển.
• Đóng gói mô hình: Hai bo mạch được ghép nối thông qua các chân cắm Header 2x40 pin và lắp đặt hoàn chỉnh trong hộp bảo vệ mica trong suốt cắt laser chuyên dụng.

Kiến trúc phần mềm và giải thuật

1. Chương trình nhúng trên vi điều khiển ATmega328P-PU: Chương trình thực hiện khởi tạo các cổng vào/ra, thiết lập giao tiếp nối tiếp UART với module ESP8266 (chân 2 Rx, chân 3 Tx) và module Bluetooth HC-05 (chân 11 Rx, chân 12 Tx). Vi điều khiển liên tục kiểm tra trạng thái nút bấm học lệnh BTN1. Khi có tín hiệu kích hoạt học lệnh, LED D2 bật sáng, vi điều khiển gọi chương trình con kích hoạt chân 17 đọc tín hiệu từ cảm biến VS1838B, giải mã khung dữ liệu hồng ngoại và truyền chuỗi mã nhị phân này qua UART lên ESP8266 hoặc HC-05 để đưa lên điện thoại. Khi ở chế độ chờ điều khiển, nếu nhận được mã lệnh từ ESP8266 hoặc HC-05 gửi xuống, vi điều khiển sẽ xuất chuỗi xung điều chế qua chân PWM số 5 tới mạch công suất để phát sóng hồng ngoại điều khiển thiết bị.

2. Chương trình trên module Wifi ESP8266 D1 Mini: Đảm nhận vai trò cầu nối dữ liệu giữa hệ thống nhúng và dịch vụ đám mây. Module được nạp thư viện Firebase Arduino Client và thư viện ESP-TOUCH. Khi người dùng nhấn nút RST_ESP và SETTING, ESP8266 chuyển sang chế độ Smartconfig chờ nhận gói tin UDP chứa SSID và mật khẩu mạng do điện thoại gửi đến. Khi đã kết nối mạng Internet thành công, ESP8266 liên tục lắng nghe các thay đổi dữ liệu từ nhánh tương ứng trên Firebase Realtime Database. Bất kỳ lệnh điều khiển mới nào từ người dùng cập nhật lên Firebase đều được ESP8266 kéo về và đẩy sang ATmega328P qua cổng UART.

3. Ứng dụng điều khiển trên Smartphone Android: Được xây dựng trên phần mềm Android Studio với các màn hình chức năng chính:

• Màn hình cấu hình kết nối Wifi (truyền thông số mạng qua Smartconfig) và kết nối Bluetooth (quét và kết nối với module HC-05).
• Màn hình giao diện điều khiển Tivi, giao diện điều khiển máy quạt, giao diện điều khiển máy điều hòa nhiệt độ với các nút bấm mô phỏng remote vật lý.
• Màn hình quản lý dữ liệu cho phép tải lên (Upload) mã lệnh mới học được lên Firebase hoặc tải về (Download) cơ sở dữ liệu mã lệnh đã lưu trữ để nạp vào giao diện điều khiển của ứng dụng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu lý do chọn đề tài dựa trên sự kết hợp giữa xu hướng Internet of Things (IoT) và nhu cầu thay thế nhiều remote hồng ngoại riêng lẻ bằng một thiết bị trung tâm duy nhất. Tác giả xác định rõ 4 mục tiêu thiết kế, cụ thể hóa 9 nội dung nghiên cứu cần triển khai từ thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm đến đóng gói mô hình. Chương này cũng nêu chi tiết 5 giới hạn kỹ thuật của đề tài: chỉ hỗ trợ hệ điều hành Android; cảm biến VS1838B chỉ nhận sóng mang tần số 38 kHz; thư viện Arduino-IRremote chỉ hỗ trợ một số chuẩn hãng phổ biến (RC5, RC6, Sony, Samsung, Panasonic, NEC, LG, Denon); máy điều hòa chỉ học được các nút chức năng cơ bản do thuật toán mã hóa phức tạp; cự ly điều khiển hồng ngoại trong phạm vi dưới 10 m.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện về các công nghệ được áp dụng trong đề tài:

• Trình bày tổng quan về hệ điều hành Android từ nguồn gốc thành lập năm 2003 của Andy Rubin, quá trình Google mua lại năm 2005, lịch sử các bản cập nhật đặt tên theo món tráng miệng, cùng ưu điểm (mã nguồn mở, đa nhiệm, kho ứng dụng lớn) và nhược điểm (phân mảnh hệ điều hành, nguy cơ bảo mật).
• Phân tích bản chất vật lý của sóng hồng ngoại (bước sóng từ 700 nm đến 1 mm), nguyên lý điều chế xung trên sóng mang và giản đồ thời gian chi tiết của khung truyền tín hiệu trên remote TV Sharp.
• Giới thiệu kiến trúc đám mây Firebase Realtime Database (lưu trữ NoSQL định dạng JSON, tự động đồng bộ ngoại tuyến/trực tuyến), hệ thống xác thực người dùng Firebase Authentication, dịch vụ Firebase Hosting; đồng thời chỉ rõ giới hạn gói miễn phí (tối đa 250 kết nối đồng thời và 1 GB dung lượng lưu trữ).
• Trình bày đặc tính các chuẩn mạng Wifi IEEE 802.11 (chuẩn b: 2.4 GHz tốc độ 11 Mbps; chuẩn g: 2.4 GHz tốc độ 54 Mbps sử dụng mã OFDM; chuẩn a: 5 GHz tốc độ 54 Mbps; chuẩn n: 2.4 GHz tốc độ 300 Mbps; chuẩn ac và ad) cùng cơ chế Smartconfig truyền gói tin UDP.
• Nêu rõ các thông số của chuẩn truyền thông nối tiếp UART (Baud rate, Frame, Start bit, Data bit truyền từ LSB đến MSB, Parity bit, Stop bit).
• Trình bày cấu trúc phần cứng của vi điều khiển ATmega328P-PU (kiến trúc AVR 8-bit, flash 32 KB, SRAM 2 KB, 6 kênh PWM), chip SoC ESP8266EX (lõi MCU 32-bit, tần số 80/160 MHz, 4 kênh PWM, SRAM khả dụng < 36 KB) và module Bluetooth HC-05 (chuẩn v2.0+EDR, tốc độ baud mặc định 9600 bps, mật khẩu mặc định 1234).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày chi tiết các yêu cầu kỹ thuật đối với phần cứng và phần mềm, xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống gồm 7 khối chức năng. Tác giả tiến hành lập các bảng so sánh lựa chọn linh kiện trên thị trường:

• So sánh cảm biến thu hồng ngoại giữa VS1838B, TSOP1838 và HS0838B, qua đó lựa chọn VS1838B do ít nhiễu và giá thành hợp lý (10.000 VNĐ).
• So sánh các module Wifi ESP8266 D1 Mini, NodeMCU và ESP8266 V1, quyết định chọn D1 Mini vì độ ổn định cao và kích thước nhỏ gọn (25.8 mm x 34.2 mm, giá 90.000 VNĐ).
• So sánh module Bluetooth HC-05 và HC-06, chọn HC-05 vì hỗ trợ cả hai chế độ Master/Slave (giá 95.000 VNĐ). Chương này hoàn thiện toàn bộ các bước tính toán điện áp, dòng điện tiêu thụ toàn mạch (tổng 151.7 mA), tính toán giá trị điện trở hạn dòng $R_C = 120\ \Omega$ và điện trở phân cực $R_B$ cho transistor 2N2222 kích mở 6 LED phát hồng ngoại 360 độ, tính toán điện trở 330 $\Omega$ cho LED chỉ thị, thiết kế mạch nguồn ổn áp 5 VDC dùng pin Lithium-ion Asus 3.85V kết hợp mạch sạc TP4056 và IC ổn áp ASM1117-5.0, xuất bản vẽ sơ đồ nguyên lý toàn mạch trên phần mềm Proteus 8.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa thiết kế từ bản vẽ sang sản phẩm vật lý:

• Thi công mạch phát sóng hồng ngoại 2 lớp kích thước 25.146 mm x 28.575 mm, hàn 6 transistor 2N2222 dán SOT-23, điện trở SMD 0805 và 6 LED phát TSAL6400 xếp hướng tròn 360 độ.
• Thi công bo mạch xử lý trung tâm 2 lớp kích thước 40.386 mm x 57.15 mm, gắn kết vi điều khiển ATmega328P-PU, các module ngoại vi ESP8266 D1 Mini, Bluetooth HC-05, cảm biến VS1838B và các nút nhấn cấu hình.
• Chế tạo và lắp ráp hệ thống vào vỏ hộp bảo vệ bằng mica trong suốt.
• Trình bày lưu đồ giải thuật chi tiết của chương trình chính vi điều khiển ATmega328P, chương trình con học lệnh, chương trình con chờ nhận dữ liệu, lưu đồ giải thuật truyền thông trên ESP8266 kết nối Firebase, và lưu đồ giải thuật của ứng dụng Android.
• Hướng dẫn thiết lập môi trường lập trình Arduino IDE (cài đặt board ESP8266 NodeMCU/D1 Mini, thiết lập cổng COM, nạp chương trình), thiết lập dự án trên Firebase Console (đăng ký App, tải file cấu hình google-services.json, cấp quyền đọc ghi cơ sở dữ liệu), thiết lập môi trường Android Studio để xây dựng và xuất file cài đặt lên smartphone.
• Soạn thảo tài liệu hướng dẫn quy trình vận hành và thao tác điều khiển thực tế cho người sử dụng.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm sau khi hoàn thiện thiết bị:

• Kết quả phần cứng: Hoàn thiện bo mạch phát hồng ngoại và bo mạch trung tâm, ghép nối chắc chắn trong hộp mica, các khối chức năng hoạt động chính xác theo thiết kế.
• Kết quả học lệnh và điều khiển thực tế: Hệ thống học lệnh thành công các nút bấm từ remote của Smart TV Box và remote máy điều hòa không khí Samsung; phát tín hiệu điều khiển chính xác các chức năng bật/tắt, tăng/giảm âm lượng, chuyển kênh, điều chỉnh nhiệt độ.
• Khảo sát so sánh sản phẩm thương mại: Tác giả lập bảng so sánh tính năng và giá bán giữa bộ điều khiển tự chế với các sản phẩm trên thị trường như Broadlink RM-Mini 3, Xiaomi IR Mi Remote 360 và SmartZ SRM, khẳng định sản phẩm của đồ án có ưu thế vượt trội về việc hỗ trợ đồng thời cả hai kết nối Wifi và Bluetooth cục bộ khi mất mạng Internet.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu: Hệ thống vận hành ổn định, mạch thu phát hồng ngoại 360 độ đáp ứng tốt, phần mềm Android tương tác mượt mà qua cả hai giao thức mạng. Đồng thời, tác giả đề xuất 4 hướng mở rộng kỹ thuật tiếp theo nhằm nâng cao tính ứng dụng thương mại của sản phẩm.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

1. Về mặt phần cứng:

• Chế tạo thành công bo mạch phát sóng hồng ngoại 2 lớp kích thước 25.146 mm x 28.575 mm với mảng 6 LED hồng ngoại phát tròn 360 độ, giải quyết triệt để vấn đề góc phát hẹp của các remote truyền thống.
• Chế tạo bo mạch trung tâm 40.386 mm x 57.15 mm tích hợp thành công vi điều khiển ATmega328P-PU cùng 2 module không dây ESP8266 D1 Mini và Bluetooth HC-05.
• Khối nguồn 5 VDC thiết kế chuẩn xác với mức tiêu thụ dòng cực đại đo kiểm trong điều kiện hoạt động là 151.7 mA, tích hợp pin Lithium-ion Asus 3.85V 3000 mAh và module sạc dự phòng TP4056 đảm bảo tính di động cao.
• Đóng gói toàn bộ hệ thống vào hộp mica cách điện, nhỏ gọn, đạt tính thẩm mỹ công nghiệp.

2. Về mặt phần mềm:

• Xây dựng thành công firmware nhúng trên ATmega328P-PU thu nhận và giải mã chính xác tín hiệu hồng ngoại tần số 38 kHz qua cảm biến VS1838B, điều chế xung phát tín hiệu qua chân PWM.
• Thiết lập tính năng cấu hình mạng Wifi thông minh Smartconfig trên ESP8266 qua giao thức ESP-TOUCH, cho phép người dùng thay đổi thông số mạng cho thiết bị trực tiếp từ smartphone mà không cần nạp lại mã nguồn qua cổng USB.
• Tích hợp và đồng bộ thành công cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase Realtime Database định dạng JSON giữa ứng dụng Android và module ESP8266.
• Ứng dụng Android viết trên Android Studio hoạt động ổn định, cung cấp đầy đủ giao diện điều khiển tivi, quạt, điều hòa nhiệt độ, tính năng quét Bluetooth cục bộ và đồng bộ dữ liệu đám mây.

3. Kết quả thử nghiệm điều khiển thiết bị thực tế:

• Thử nghiệm học lệnh và điều khiển đối với Smart TV Box: Đọc, lưu trữ và phát thành công các mã phím điều khiển chức năng (bật/tắt nguồn, tăng giảm âm lượng, điều hướng menu, xác nhận).
• Thử nghiệm học lệnh và điều khiển đối với máy điều hòa Samsung: Học và điều khiển chính xác các lệnh cơ bản như bật/tắt máy, tăng/giảm nhiệt độ cài đặt, chuyển đổi chế độ làm lạnh.

4. Khảo sát so sánh với sản phẩm thương mại:

Tiêu chí so sánh	Bộ điều khiển của đề tài	Xiaomi IR Mi Remote 360	Broadlink RM-Mini 3	SmartZ SRM
Phương thức kết nối	Wifi + Bluetooth	Wifi	Wifi	Wifi
Phạm vi phát IR	360 độ (bán kính < 10 m)	360 độ	360 độ	360 độ
Hoạt động khi mất Internet	Có (qua Bluetooth HC-05)	Không	Không	Không
Nguồn dự phòng tích hợp	Có (Pin Li-ion + TP4056)	Không (Dùng nguồn ngoài)	Không (Dùng nguồn ngoài)	Không (Dùng nguồn ngoài)
Nền tảng điều khiển	Ứng dụng Android	Mi Home (Android/iOS)	e-Control (Android/iOS)	SmartZ (Android/iOS)
Giá khảo sát thị trường (2018)	Linh kiện tự chế (~250.000 VNĐ)	~350.000 VNĐ	~300.000 VNĐ	~650.000 VNĐ

Đóng góp kỹ thuật tự nêu

Tác giả tự xác định các đóng góp chính của đề tài so với các nghiên cứu và sản phẩm hiện hành:

• Kết hợp đồng thời hai chuẩn truyền thông Wifi và Bluetooth trên cùng một thiết bị: Giải quyết bài toán gián đoạn điều khiển khi gia đình bị mất kết nối Internet (chuyển sang điều khiển qua sóng Bluetooth nội bộ trong phạm vi 12 mét).
• Tích hợp sẵn nguồn pin sạc dự phòng Lithium-ion 3000 mAh bên trong mạch giúp thiết bị vận hành liên tục ngay cả khi mất điện lưới sinh hoạt hoặc khi di chuyển vị trí linh hoạt trong phòng.
• Ứng dụng phương thức cấu hình mạng Smartconfig thông qua giao thức ESP-TOUCH loại bỏ hoàn toàn sự phức tạp trong việc cài đặt thông số mạng Wifi cho thiết bị nhúng đối với người sử dụng phổ thông.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản đề cập trực tiếp gồm:

• Ứng dụng điều khiển mới chỉ được phát triển trên hệ điều hành Android, chưa hỗ trợ người dùng thiết bị di động chạy hệ điều hành iOS.
• Khối mạch học lệnh sử dụng cảm biến VS1838B nên bị giới hạn cố định ở tần số sóng mang 38 kHz; không thể thu và học lệnh từ các remote sử dụng các dải tần số sóng mang khác.
• Thư viện giải mã "Arduino-IRremote-master" mới chỉ tích hợp giải thuật xử lý cho các dòng thiết bị phổ biến của các hãng: RC5, RC6, Sony, Samsung, Panasonic, NEC, LG, Denon; chưa tương thích với tất cả các chuẩn giao thức mã hóa độc quyền khác.
• Đối với máy điều hòa nhiệt độ, do thuật toán mã hóa của các nhà sản xuất rất phức tạp (mỗi lần bấm phím remote sẽ gửi đi toàn bộ chuỗi trạng thái gồm nhiệt độ, tốc độ gió, hướng cánh vẫy, chế độ làm lạnh), hệ thống mới chỉ học được các phím chức năng cơ bản riêng lẻ, chưa xử lý được trọn vẹn chuỗi dữ liệu phức tạp.
• Cự ly điều khiển bằng sóng hồng ngoại bị khống chế trong phạm vi dưới 10 mét và không thể xuyên qua các vật cản che chắn trực tiếp như tường, vách ngăn phòng.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Mở rộng phát triển ứng dụng điều khiển đa nền tảng, hỗ trợ hệ điều hành iOS và các nền tảng di động khác.
• Tích hợp thêm các bộ cảm biến thu hồng ngoại với nhiều dải tần số khác nhau để học lệnh đa dạng các loại remote đặc thù.
• Nâng cấp thuật toán phần mềm để phân tích và giải mã toàn bộ khung truyền trạng thái phức tạp của các dòng máy điều hòa nhiệt độ hiện đại.
• Cải tiến mạch khuếch đại phát công suất và tăng độ nhạy cảm biến thu nhằm mở rộng cự ly điều khiển hồng ngoại xa hơn 10 mét.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao đối với sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Công nghệ Thông tin và Hệ thống Nhúng – IoT:

• Về mặt thiết kế mạch phần cứng: Cung cấp bản vẽ nguyên lý và quy trình tính toán phân cực thực tế cho transistor đóng ngắt LED hồng ngoại công suất; cung cấp giải pháp bố trí 6 LED phát theo góc 360 độ để triệt tiêu góc chết quang học.
• Về mặt xử lý tín hiệu: Cung cấp quy trình thu thập, xử lý xung và lưu trữ mã phím hồng ngoại 38 kHz sử dụng vi điều khiển ATmega328P kết hợp bộ thư viện IRremote.
• Về mặt truyền thông nhúng và IoT: Cung cấp giải pháp phối hợp xử lý giữa vi điều khiển chuyên trách ngoại vi (ATmega328P) và chip truyền thông mạng (ESP8266 D1 Mini) qua giao tiếp UART; phương pháp cấu hình mạng nhanh Smartconfig bằng gói tin UDP; và mô hình đồng bộ trạng thái thiết bị thời gian thực với Google Firebase Realtime Database.
• Về mặt phát triển ứng dụng di động: Minh họa quy trình tích hợp Firebase SDK, thiết lập cơ sở dữ liệu NoSQL JSON và kết nối Bluetooth qua cổng nối tiếp ảo (SPP) trên môi trường lập trình Android Studio.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống thực hiện việc cấu hình mạng Wifi cho module ESP8266 như thế nào mà không cần nạp lại mã nguồn?

Hệ thống sử dụng tính năng Smartconfig dựa trên giao thức ESP-TOUCH của Espressif. Khi người dùng nhấn nút RST_ESP và nút SETTING trên bo mạch, ESP8266 sẽ vào trạng thái chờ cấu hình. Từ ứng dụng Android, người dùng nhập tên mạng (SSID) và mật khẩu Wifi. Ứng dụng sẽ mã hóa các thông tin này vào trường độ dài (Length) của các gói tin UDP và phát quảng bá. Module ESP8266 bắt các gói tin UDP này, giải mã thông tin SSID và mật khẩu, sau đó tự động kết nối vào mạng Wifi gia đình để truy cập Internet mà không cần can thiệp nạp lại firmware qua cổng USB.

2. Tại sao bo mạch phải sử dụng đồng thời cả vi điều khiển ATmega328P-PU và module ESP8266 D1 Mini?

Mỗi vi xử lý được phân công nhiệm vụ chuyên biệt để đảm bảo tính thời gian thực và độ ổn định của hệ thống:

• ATmega328P-PU chuyên trách đọc, phân tích xung hồng ngoại chính xác từ cảm biến VS1838B và xuất tín hiệu điều chế PWM tần số 38 kHz kích mở mảng 6 transistor phát hồng ngoại. Vi điều khiển này hoạt động đơn nhiệm, tránh bị ảnh hưởng bởi độ trễ ngắt mạng.
• ESP8266 D1 Mini chuyên trách nhiệm vụ quản lý kết nối giao thức mạng Wifi, xử lý cơ chế Smartconfig và giao tiếp dữ liệu thời gian thực với máy chủ đám mây Firebase Realtime Database. Hai bộ vi xử lý trao đổi các gói dữ liệu mã phím hồng ngoại với nhau thông qua cổng truyền thông nối tiếp UART chuẩn (tốc độ baud 9600 bps).

3. Khối phát sóng hồng ngoại được thiết kế như thế nào để đạt góc phủ 360 độ và các linh kiện chính có thông số ra sao?

Khối phát sóng hồng ngoại được thiết kế trên một bo mạch in riêng biệt, bố trí 6 LED phát hồng ngoại 5 mm TSAL6400 (bước sóng 940 nm, dòng cực đại 100 mA) quay đều theo các hướng tạo thành hình tròn 360 độ. Mỗi LED được kích dẫn bão hòa bằng một transistor NPN 2N2222 đóng gói SOT-23-3 riêng biệt. Chân cực bazơ của mỗi transistor được cấp tín hiệu từ chân PWM của vi điều khiển thông qua điện trở phân cực $R_B = 33\text{ k}\Omega$, và cực thu được mắc nối tiếp với điện trở hạn dòng $R_C = 120\ \Omega$ để cố định dòng qua LED ở mức an toàn 20 mA.

4. Cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database đóng vai trò gì trong hệ thống và có những giới hạn nào với tài khoản miễn phí?

Firebase Realtime Database đóng vai trò là tầng trung gian lưu trữ và đồng bộ hóa dữ liệu mã hồng ngoại theo thời gian thực giữa ứng dụng Android trên smartphone và module Wifi ESP8266. Dữ liệu được lưu trữ dưới định dạng cây NoSQL JSON. Khi người dùng nhấn phím trên ứng dụng, mã điều khiển được ghi lên Firebase; ESP8266 lập tức nhận được bản tin cập nhật và tải mã về để chuyển sang ATmega328P phát lệnh. Theo số liệu tác giả trình bày, tài khoản miễn phí của Firebase cung cấp dung lượng lưu trữ đám mây 1 GB và giới hạn tối đa 250 thiết bị hoặc người dùng kết nối truy cập đồng thời.

5. Hệ thống có những giới hạn kỹ thuật cụ thể nào đối với các loại remote hồng ngoại trên thị trường?

Hệ thống chỉ tương thích với các remote sử dụng sóng mang hồng ngoại ở tần số danh định 38 kHz do đặc tính phần cứng của cảm biến thu VS1838B. Về mặt phần mềm, do sử dụng bộ thư viện "Arduino-IRremote-master", thiết bị chỉ giải mã được các giao thức truyền thông của một số hãng phổ biến gồm RC5, RC6, Sony, Samsung, Panasonic, NEC, LG, Denon. Ngoài ra, đối với các loại máy điều hòa không khí có khung truyền dữ liệu trạng thái phức tạp, thiết bị chỉ mới học được các nút chức năng cơ bản đơn lẻ, chưa giải mã được trọn vẹn chuỗi lệnh cài đặt nâng cao.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công bộ điều khiển hồng ngoại đa năng điều khiển qua Smartphone" đã hiện thực hóa thành công một sản phẩm phần cứng nhúng hoàn chỉnh kết hợp ứng dụng điều khiển di động trên nền tảng Android. Thiết bị đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật đề ra: thu và giải mã chính xác tín hiệu hồng ngoại 38 kHz, phát sóng góc rộng 360 độ trong bán kính 10 mét, tích hợp pin nguồn dự phòng cơ động và hỗ trợ điều khiển linh hoạt qua cả mạng Wifi (đồng bộ đám mây Firebase) lẫn Bluetooth nội bộ. Hệ thống có tính hoàn thiện thực nghiệm cao, dữ liệu tính toán và kiểm thử rõ ràng, là tài liệu tham khảo giá trị cho các nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật trong lĩnh vực nhà thông minh và thiết bị IoT.

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 thông số và bố cục đồ án.  Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương này trình bày các cơ sở lý thuyết cần thiết để thực hiện đề tài.  Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Chương này sẽ thiết kế và tính toán các khối trong Board mạch.  Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Chương này trình bày về thi công hệ thống, đóng gói và thi công mô hình, lập trình hệ thống, lập trình mô phỏng và viết tài liệu hướng dẫn lập trình thao tác.

 Chương 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ Chương này sẽ trình bày tất cả những kết quả đã làm được thông qua hình ảnh, đánh giá sản phẩm qua thực tế.  Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương này trình bày những kết quả mà nhóm thực hiện so với mục tiêu đề ra và hướng phát triển. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 GIỚI THIỆU  Tổng quan về hệ điều hành Android.

 Tổng quan về sóng hồng ngoại.  Khái niệm về cơ sở dữ liệu Firebase.  Tổng quan về mạng không dây Wifi.  Tổng quan về chuẩn truyền thông UART.

 Tổng quan về phần cứng.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID 2.1 Khái niệm Android [3] Android là một hệ điều hành có mã nguồn mở dựa trên nền tảng Linux được thiết kết dành cho các thiết bị di động và máy tính bảng.2 Lịch sử phát triển Tổng công ty Android (Android, Inc.) được thành lập tại Palo Alto, California vào tháng 10 năm 2003 bởi Andy Rubin. Vào năm 2005 Google mua lại công ty này sau đó tới năm 2007 chính thức ra mắt hệ điều hành Android. Từ năm 2008, hệ điều hành Android đã trải qua nhiều lần cập nhật để dần dần cải tiến hệ điều hành, bổ sung các tính năng mới và sửa các lỗi trong những lần phát hành trước. Mỗi bản nâng cấp được đặt tên lần lượt theo thứ tự bảng chữ cái, theo tên của một món ăn tráng miệng.1 Các phiên bản hệ điều hành Android qua các lần nâng cấp.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2.3 Ưu nhược điểm hệ điều hành Android Ưu điểm  Thân thiện dễ sử dụng với người dùng.  Khả năng đa nhiệm chạy cùng lúc nhiều ứng dụng.  Đa dạng nhiều sản phẩm phù hợp hầu hết các thiết bị điện thoại và máy tính bảng.  Kho ứng dụng Google Play có rất nhiều ứng dụng mà người dùng có thể lựa chọn tải về sử dụng.

 Là hệ điều hành có khả năng tùy biến cao người dùng có thể chỉnh sửa mà không có sự cấm cản từ nhà sản xuất. Nhược điểm  Không tự động cập nhật hệ điều hành với tất cả thiết bị, khi một hệ điều hành mới ra mắt người dùng có thể không cập nhật được mà phải mua một thiết bị khác có hệ điều hành đó.  Khó kiểm soát chất lượng ứng dụng khi quá nhiều ứng dụng được tải lên.  Dễ nhiễm mã độc gây hại thiết bị do tính chất nguồn mở nên không có sự kiểm soát.

 Sự phân cấp chất lượng sản phẩm lớn khi nhiều sản phẩm nổi tiếng chất lượng như: Galaxy S5, Galaxy Note 4, Xperia Z3…, vẫn còn rất nhiều sản phẩm giá rẻ bình thường khác.3 TỔNG QUAN VỀ SÓNG HỒNG NGOẠI 2.1 Tia hồng ngoại Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến nhưng ngắn hơn tia bức xạ vi ba. Tên "hồng ngoại" có nghĩa là "ngoài mức đỏ", màu đỏ là màu sắc có bước sóng dài nhất trong ánh sáng thường. Tia hồng ngoại có bước sóng từ 700 nm (tần số 430 THz) đến 1 mm (tần số 300 GHz). Một số sinh vật có thể nhìn thấy tia hồng ngoại ở vùng gần kề với ánh sáng thường, cũng như trong một số thí nghiệm thì có người nhìn thấy đến vùng hồng ngoại 1050 nm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sóng hồng ngoại được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như ống nhòm hồng ngoại trong quân sự, ứng dụng phát nhiệt trong y tế, ứng dụng làm Remote điều khiển, Led hồng ngoại trong dân dụng.2 Ứng dụng sóng hồng ngoại trong điều khiển từ xa Ứng dụng điều khiển từ xa bằng sóng hồng ngoại IR (infrared radiation) ngày nay rất phổ biến, hầu hết các gia đình đều có Remote hồng ngoại điều khiển các thiết bị như Tivi, máy điều hòa, máy nghe nhạc, máy quạt, … Sóng hồng ngoại được sử dụng làm sóng mang các Bit dữ liệu dưới dạng mã nhị phân từ bộ phận điều chế xung gửi đến Led phát hồng ngoại với tần số nhất định.2 Sóng mang hồng ngoại của Remote TV Sharp. Một khung truyền tín hiệu gồm 5 Bit, đầu tiên là Bit Start và Bit địa chỉ, 8 Bit tiếp theo là dữ liệu và 2 Bit cuối là Stop, chuỗi mã lệnh được truyền nhờ sóng mang hồng ngoại với tần số 36 KHz. Thời gian để truyền hết một chuỗi Bit khi ta nhấn phím là 20ms.

Bit 0 và Bit 1 có chu kì giống nhau nhưng có độ rộng Bit là khác nhau, ở Bit 0 truyền mất thời gian 1000 micro giây còn Bit 1 là 2000 micro giây.3 Giản đồ thời gian của các Bit dữ liệu. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Với mỗi phím bấm của Remote sẽ có các mã nhị phân khác nhau, ví dụ như phím số 1 sẽ có mã là: 100000101000010, phím số 2 có mã là: 100000100000010,… Từ đó cảm biến thu hồng ngoại nhận biết với từng mã dữ liệu sẽ thực thi các lệnh tương ứng như tăng âm lượng, giảm âm lượng, chuyển kênh, v. Ưu điểm  Điều khiển từ xa không dây.

 Led phát và thu nhỏ gọn, thiết kế lắp đặt có độ tin cậy cao.  Áp dụng cấp thấp, công suất tiêu tán nhỏ.  Điều khiển được nhiều thiết bị.  Tính khả thi cao.

Nhược điểm  Hạn chế về khoảng cách điều khiển.  Hạn chế về vật cản che chắn.4 KHÁI NIỆM VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU FIREBASE 2.1 Khái niệm Firebase là một dịch vụ API (giao diện lập trình ứng dụng) để lưu trữ và đồng bộ dữ liệu giữa hai hay nhiều thiết bị với nhau. Firebase hoạt động dựa trên nền tảng đám mây được cung cấp bởi Google nhằm giúp đỡ các lập trình viên phát triển nhanh ứng dụng bằng cách đơn giản hóa các thao tác ứng dụng với cơ sở dữ liệu. Google Firebase bao gồm: lưu trữ dữ liệu thời gian thực, xác thực người dùng, Firebase Hosting.2 Lịch sử phát triển Firebase được thành lập bởi Tamplin và Lee.

Hai nhà sáng lập này đã dựa vào một dịch vụ API Chat trực tuyến vào trang Web được cung cấp bởi Envolve, các nhà phát triển sử dụng Envolve để đồng bộ hóa dữ liệu các trạng thái trò chơi trong thời gian thực lên trang Web. Dựa vào yếu tố này Tamplin và Lee đã quyết định tách riêng hệ thống Chat và kiến trúc thời gian thực để thành lập một cơ sở dữ liệu Firebase riêng biệt vào tháng 4 năm 2012. Vào ngày 21 tháng 10 năm 2014 Google đã mua lại Firebase.3 Các chức năng chính của Firebase Realtime Database (Cơ sở dữ liệu thời gian thực) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lưu trữ và đồng bộ hóa dữ liệu với cơ sở dữ liệu đám mây NoSQL.

Dữ liệu được đồng bộ hóa trên tất cả các khách hàng trong thời gian thực và vẫn còn khi ở chế độ ngoại tuyến. Và tự động cập nhập lại dữ liệu mới nhất khi được kết nối lại. Firebase lưu trữ dữ liệu Database dưới dạng JSON và thực hiện đồng bộ Database tới tất cả các khách hàng theo thời gian thực. Chúng ta có thể xây dựng được Client đa nền tảng (cross-platform client) và tất cả các Client này sẽ cùng sử dụng chung 1 Database đến từ Firebase và có thể tự động cập nhật mỗi khi dữ liệu trong Database được thêm mới hoặc sửa đổi.4 Trao đổi dữ liệu giữa Firebase với các thiết bị.

Firebase Authentication (Hệ thống xác thực của Firebase) Việc xác thực người dùng là một trong những tính năng mạnh mẽ của Google nhằm giúp bảo mật thông tin dữ liệu người dùng, nó hỗ trợ việc xác thực người dùng bằng Email, số điện thoại, các dịch vụ mạng xã hội: Google, Facebook, Twitter, … c. Firebase Hosting Chúng ta có thể triển khai một ứng dụng trên nền Web chỉ với vài giây với hệ thống Firebase và các dữ liệu sẽ được lưu trữ đám mây đồng thời được bảo mật thông qua giao thức truy cập SSL.4 Ưu điểm của Firebase Ưu điểm  Triển khai ứng dụng cực nhanh.  Tính bảo mật cao.  Tính linh hoạt và mở rộng ứng dụng dễ dàng.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Tính ổn định cao ít khi nào gặp trường hợp sập Server.  Người đăng ký tài khoản miễn phí có 1GB dung lượng lưu trữ. Nhược điểm Đăng ký tài khoản miễn phí thì chỉ được tối đa 250 thiết bị hoặc người truy cập trong khi có tính phí thì không giới hạn thiết bị hoặc người truy cập.5 TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY WIFI 2.1 Khái niệm về Wifi Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và Radio.11 bắt nguồn từ học viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) của Hoa kỳ.

Học viện này tạo ra nhiều chuẩn cho giao thức kỹ thuật khác nhau và sử dụng một hệ thống số nhằm phân loại chúng, 6 chuẩn thông dụng của Wifi hiện nay là 802. Sóng Wifi truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz. Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn.2 Các chuẩn Wifi  Wifi hay mạng 802.11 có 6 chuẩn thông dụng nhất đó là 802.11b: Đây là phiên bản đầu tiên trên thị trường.

Chuẩn này có tốc độ truyền chậm và ít phổ biến hơn so với các chuẩn khác.11b phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, nó có thể xử lý đến 11 Mbit/s và sử dụng mã CCK (complimentary code keying).11g: Cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với chuẩn 802.11b, tốc độ xử lý đạt 54 Mbit/s.11g nhanh hơn vì nó sử dụng mã OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing), một công nghệ mã hóa hiệu quả hơn.