- Trang Chủ
- Điện - Điện tử
- Thiết kế mạch giao tiếp với cảm biến áp lực hữu cơ, ứng dụng theo dõi bước chân trên điện thoại thông minh, máy tính bảng
Xem mẫu
- Thiết kế mạch giao tiếp với cảm biến áp lực hữu cơ,
ứng dụng theo dõi bước chân trên điện thoại thông
minh, máy tính bảng
Khổng Đức Chiếna*, Phạm Văn Họcb, Lê Thị Trangc, Heisuke Sakaid, Hoàng Văn Phúca*, Đào Thanh Toảnb,e*
a
Khoa Vô tuyến Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn; số 236 Hoàng Quốc Việt, Cổ Nhuế 1, Bắc Từ Liêm, Hà Nội
b
Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Giao thông Vận tải; số 3, Cầu Giấy, Đống Đa, Hà Nội
c
Khoa Điện tử, Đại học Công nghiệp Hà Nội; số 298 Cầu Diễn, Minh Khai, Bắc Từ Liêm, Hà Nội
d
Japan Advanced Institute of Science and Technology; 1-1 Asahidai, Nomi, Ishikawa 923-1292, Japan
e
Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Việt-Nhật (ViJARD), Trường Đại học Giao thông Vận tải; số 3, Cầu Giấy, Đống Đa, Hà Nội
*
Email: kchien.tdc@gmail.com, phuchv@mta.edu.vn, daotoan@utc.edu.vn
Abstract – Trong những năm gần đây, cảm biến áp lực hữu cơ tích hợp cảm biến để thu thập các thông tin về độ dài và áp lực
đang nhận được sự quan tâm rất lớn trong việc nghiên cứu cũng bước chân.
như phát triển các ứng dụng. Với tiềm năng ứng dụng cho IoT, Trong lĩnh vực thể thao, đáng chú ý nhất là các nghiên
nhiều ứng dụng đã sử dụng cảm biến hữu cơ dưới dạng mang cứu của Salpavaara [7] và Holleczek [8] về theo dõi thời gian
hoặc gắn trên cơ thể kết hợp với hiển thị thông tin trên điện thoại
và sự chuyển động bước chân của vận động viên trong các quá
thông minh, máy tính bảng. Trong công trình nghiên cứu gần
đây, chúng tôi đã đề xuất phương pháp chế tạo cảm biến áp lực trình ném, nhảy và chạy ở các môn thể thao. Nhiều môn thể
hữu cơ dạng mềm dẻo, sử dụng màng mỏng polyurethan. Để phát thao cần sự kết hợp tốt của các động tác chạy, ném, nhảy để
triển ứng dụng cho cảm biến mới chế tạo, trong bài báo này, vận động viên mang lại thành tích tốt nhất. Các thông tin từ
nhóm tác giả trình bày một phương pháp thiết kế mạch giao tiếp kết quả phân tích thời gian và sự chuyển động của bước chân,
với cảm biến sử dụng các linh kiện có sẵn trên thị trường. Mạch các vận động viên có thể đạt được kết quả tốt nhất trong quá
giao tiếp cảm biến sử dụng module bluetooth để kết nối với điện trình luyện tập, cũng như giảm thiểu các chấn thương có thể
thoại thông minh, máy tính bảng. Đồng thời nhóm tác giả cũng mắc phải.
xây dựng phần mềm ứng dụng hiển thị và lưu thông tin cho điện Trong nghiên cứu gần đây [9], chúng tôi đã thành công
thoại thông minh, máy tính bảng sử dụng hệ điều hành Android.
trong chế tạo cảm biến áp lực sử dụng màng mỏng
Kết quả ứng dụng ban đầu của công trình có thể theo dõi và hiển
thị chính xác dạng tín hiệu bước chân của người ở vận tốc đi bộ polyurethane bằng phương pháp ép nhiệt và thử nghiệm ứng
bình thường. dụng trong lĩnh vực theo dõi sức khỏe công trình xây dựng.
Cấu tạo và đặc tính của cảm biến được thể hiện trên hình 1.
Keywords – Mạch giao tiếp cảm biến, IoT device, cảm biến áp
lực hữu cơ, phần mềm ứng dụng Android, tín hiệu bước chân. (a) (b)
I. GIỚI THIỆU
Thời gian gần đây, các nghiên cứu phát triển các ứng
dụng chăm sóc sức khỏe, vận động sử dụng cảm biến để phân
tích sự phân bố lực của bàn chân đang thu hút được sự quan
tâm nghiên cứu của các nhóm nghiên cứu cũng như các công
Vỏ bảo vệ Điện cực Màng mỏng
ty công nghệ [1-2]. Các nghiên cứu này tập trung phát triển Plastic Aluminium Polyurethane
các ứng dụng với cảm biến hoặc hệ thống cảm biến được tính
hợp vào giầy, tất đeo chân với mục đích theo dõi sự di chuyển
của bệnh nhân hoặc các các vận động viên thể thao. Hình 1. a) Cấu tạo; b) Đặc tính cảm biến áp lực hữu cơ sử dụng
Trong lĩnh vực theo dõi sức khỏe, các nghiên cứu chủ màng mỏng polyurethane.
yếu sử dụng giày có tích hợp hệ thống cảm biến để theo dõi sự
Mặt khác, A. P. Hills và các cộng sự đã chỉ ra áp lực của
hồi phục của bệnh nhân. Crosbie và Nicol [3] đã đề xuất hệ
một người trưởng thành khi di chuyển là 120 kPa [10], giá trị
thống theo dõi sự hồi phục của bệnh nhân chấn thương thần
này nằm trong khoảng đo của cảm biến ở hình 1b, do đó cảm
kinh liên quan tới khả năng vận động, bằng cách sử dụng các
biến có khả năng sử dụng để theo dõi tín hiệu bước chân. Vì
cảm biến để phân tích bước chân và sự phân bố lực trên bàn
vậy nhóm tác giả đề xuất một phương pháp thiết kế mạch giao
chân khi tiếp xúc với mặt đất. Các công trình nghiên cứu cũng
tiếp cảm biến áp lực, kết nối không dây bluetooh với điện
đã đưa ra phương pháp theo dõi sự phục hồi của bệnh nhân
thoại thông minh, máy tính bảng ứng dụng trong theo dõi tín
sau chấn thương [4-6] và bệnh nhân đột quỵ sử dụng giày đeo
hiệu bước chân. Đồng thời nhóm nghiên cứu cũng xây dựng
phần mềm ứng dụng cài đặt trên điện thoại thông minh, máy
1
203
- tính bảng sử dụng hệ điều hành Android để hiển thị và lưu trữ được kết nối với điện thoại thông minh, máy tính bảng thông
thông tin cảm biến. Kết quả thử nghiệm cho thấy, hệ thống có qua module bluetooth HC-05, tín hiệu mang thông tin về điện
thể hiển thị chính xác tín hiệu bước chân người đi bộ. dung được truyền bằng bluetooth tới điện thoại/máy tính bảng
để hiển thị trên màn hình của ứng dụng Android.
II. THIẾT KẾ MẠCH GIAO TIẾP CẢM BIẾN
(a) (b)
Mục tiêu thiết kế mạch giao tiếp cảm biến sử dụng dưới
dạng đeo hoặc gắn trên cơ thể. Vì vậy tiêu chí nhỏ gọn, công Tới cảm biến
NE555
suất tiêu thụ thấp được nhóm tác giả quan tâm hàng đầu trong
việc lựa trọn lựa linh kiện sử dụng. Bên cạnh đó là yếu tố giá HC05
thành rẻ cũng như tính sẵn có phổ biến trên thị trường. Qua 74HC14
nghiên cứu, khảo sát, kế thừa công trình nghiên cứu trước đây Atmega 328
[11] nhóm thiết kế đã chọn họ vi điều khiển Atmega328 được
tích hợp trên bo mạch Arduino Nano. Bo mạch Arduino Nano
[12] được tích hợp bộ ADC (Analog to Digital Converter) 10
Bit, có 8 đầu vào analog và 14 đầu ra digital rất thuận tiện để Hình 2. a) Mạch PCB; b) Bảng mạch của mạch giao tiếp cảm biến
kích thước (5 x 7) cm.
mở rộng, nâng cấp sử dụng cho nhiều cảm biến khác nhau.
Bên cạnh đó, để hiển thị tín hiệu bước chân trên điện thoại Sau khi hoàn thiện thiết kế mạch nguyên lý, nhóm nghiên
thông minh, máy tính bảng các tác giả đã lựa chọn ngôn ngữ cứu đã gia công mạch PCB (Printed Circuit Board) bằng
lập trình Java để xây dựng phần mềm ứng dụng cài đặt trên phương pháp ăn mòn tại phòng thí nghiệm. Sơ đồ mạch in và
điện thoại thông minh, máy tính bảng sử dụng hệ điều hành hình ảnh bảng mạch giao tiếp cảm biến kích thước (5 x 7) cm
Android. Vì tính phổ biến của các điện thoại, máy tính bảng sử sau khi hoàn thiện được trình bày ở hình 2.
dụng hệ điều hành Android và hơn nữa còn hỗ trợ rất tốt các Các bước làm việc và chức năng chính của hệ thống (gồm
ứng dụng mà nguồn mở. phần cứng và phần mềm ứng dụng) được thể hiện trên lưu đồ
hình 3. Phần mềm ứng dụng được xây dựng trên môi trường
Android Studio, giúp tạo ra chương trình ổn định, nhưng vẫn
R1 1k
Pin Lithium polymer
đảm bảo tính tùy biến cao, phép người lập trình dễ dàng sửa
7
8 4 đổi, bổ sung các chức năng theo mục đích sử dụng. Hơn nữa
R2
6 3 ADC/ Bluetooth phần mềm ứng dụng còn có tính tương tác cao, ngoài việc hiển
10 k
2
NE555 Atmega 328 (HC-05) thị và lưu giữ dữ liệu trên điện thoại còn có thể hỗ trợ hiển thị
Sensor
A
1
74HC14 và lưu dữ liệu lên server. Đây là ưu điểm nổi bật để có thể
phát triển các ứng dụng IoT.
B
Khởi động
Phần mềm hệ thống
ứng dụng
Kết nối
module HC05
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp cảm biến áp lực
Sai
Kết nối
Sau khi lựa chọn các linh liện, sơ đồ nguyên lý mạch giao
tiếp cảm biến áp lực sử dụng module bluetooth kết nối với Đúng
điện thoại thông minh, máy tính bảng được thể hiện trên hình 1. Start
Như được thể hiện trên hình 1, IC tạo dao động IC NE555
được nối với cảm biến qua 2 cổng A và B. Khi đó tần số tín hiệu Nhận dữ liệu từ cảm biến
đầu ra của NE555 được tính theo công thức:
Tính toán, gửi thông tin tới HC05
1
f = (1)
CCb ( R1 + 2 R2 ) ln 2 Gửi thông tin tới
phần mềm ứng dụng
Trong đó CCb là giá trị điện dung cảm biến.
Tín hiệu đầu ra của IC NE555 sau khi qua IC so sánh mức Hiển thị
74HC14 để chuẩn tín hiệu là xung vuông được đưa tới đầu vào
của bo mạch nhúng Arduino Nano. R1 và R2 được chọn tương Sai
Stop
ứng là 1 kΩ và 10 kΩ tương ứng, như vậy tần số đến chip
nhúng chỉ phụ thuộc vào điện dung của cảm biến: Đúng
1 0, 687 ´ 10-4
CCb = = (2) Xem dữ liệu Lưu dữ liệu Mở file Thoát
f ( R1 + 2 R2 ) ln 2 f
Giá trị điện dung của cảm biến sau đó sẽ được tính qua Hình 3. Lưu đồ làm việc và các chức năng chính của hệ thống.
tần số trên cơ sở công thức (2). Vi điều khiển Atmega328
2
204
- Như được thể hiện trên sơ đồ hình 3, sau khi khởi động hệ thị rõ ràng tín hiệu bước chân của người với vận tốc bình
thống và chạy phần mềm ứng dụng trên điện thoại thông minh, thường như được thể hiện trên hình 6.
phần mềm sẽ đưa ra yêu cầu kết nối bluetooth với module
HC05 trên mạch giao tiếp cảm biến. Khi ghép nối bluetooth
xong, ấn nút Start, phần mềm bắt đầu hoạt động. Khi đó các tín
hiệu nhận được từ cảm biến sẽ liên tục được gửi tới phần mềm
để hiển thị lên màn hình điện thoại. Chương trình chỉ dừng lại
khi ta nhấn nút Stop. Và khi đó ta có thể lực chọn các thực đơn Nhấc chân lên Đặt chân xuống
như lưu dữ liệu, hiển thị toàn bộ dữ liệu, hoặc mở một dữ liệu
đã được lưu trước đó.
Hệ thống sau thiết kế bao gồm: cảm biến, mạch giao tiếp và
phần mềm ứng dụng cài trên điện thoại thông minh, máy tính
bảng được thể hiện trên hình 4.
Hình 6. Tín hiệu bước chân của người với vận tốc bình thường.
Khi bước chân của người thử nghiệm chạm đất, điện dung
của cảm biến tăng lên, tương ứng với các đỉnh lên của xung tín
hiệu được thể hiện trên màn hình điện thoại thông minh, máy
tính bảng. Ngược lại, khi bước chân của người thử nghiệm
nhấc lên, điện dung của cảm biến giảm, tương ứng với các
đỉnh xung tín hiệu xuống.
IV. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, nhóm tác giả đã đề xuất một phương
Module giao tiếp Cảm biến áp lực Phần mềm pháp thiết kế mạch giao tiếp cảm biến áp lực hữu cơ, sử dụng
các linh kiện điện tử có sẵn trên thị trường. Nhóm nghiên cứu
Hình 4. Hệ thống sau thiết kế. đã xây dựng phần mềm ứng dụng hiển thị và lưu thông tin trên
điện thoại thông minh, máy tính bảng chạy hệ điều hành
III. THỬ NGHIỆM THEO DÕI BƯỚC CHÂN
Android. Mạch giao tiếp kết nối với điện thoại thông minh, máy
Hình 5 thể hiện hình ảnh bước chuẩn bị (5a) và quá trình tính bảng bằng bluetooth. Qua thử nghiệm, hệ thống sau thiết
theo dõi bước chân của hệ thống thử nghiệm (5b). Mạch giao kế có thể hiện thị chính xác tín hiệu bước chân người ở tốc độ
tiếp có kích thước nhỏ gọn có thể được gắn lên giày bằng cách đi bình thường trên điện thoại thông minh, máy tính bảng.
tận dụng dây buộc giầy hoặc có thể được cố định bằng các loại Mạch giao tiếp cảm biến cũng có thể được sử dụng để phát
băng dính và keo dán thông thường. Cảm biến áp lực hữu cơ triển các ứng dụng khác dưới dạng đeo hoặc gắn trên cơ thể
được dán dưới đế giày bằng băng dính hoặc kéo dán thông người với mục đích giám sát chuyển động hoặc theo dõi sức
thường. Theo Thông tin từ nhà sản xuất với HC 05, có thể khỏe. Hướng nghiên cứu tiếp theo của nhóm tác giả là bổ sung
truyền trong phạm vi 10 m, trong nghiên cứ này, chúng tôi ước các thuật toán xử lý tín hiệu, tăng thêm số lượng cảm biến để
tính được cự ly truyền trong tầm nhìn thẳng là khoảng 10 m. thu thập được đầy đủ các thông tin tín hiệu bước chân người
cũng như phát triển các ứng dụng IoT khác dưới dạng đeo
(a) (b) hoặc gắn trên cơ thể.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ phát triển khoa học và công nghệ Quốc
gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số: 103.02-2017.34.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Cảm biến gắn dưới đế giày [1] N. Hegde, M. Bries, E. Sazonov, “A comparative review of footwear-
based wearable systems,” Electronics, 5(3), 48, 2016.
Hình 5. a) Hệ thống với cảm biến được gắn dưới đế giầy; b) Quá [2] F. Lin, A. Wang, Y. Zhuang, M. R. Tomita, W. Xu, “Smart insole: A
trình theo dõi bước chân. wearable sensor device for unobtrusive gait monitoring in daily
life,” IEEE Transactions on Industrial Informatics, 12(6), pp.2281-2291,
Kết quả thứ nghiệm cho thấy rằng, khi sử dụng cảm biến 2016.
[3] W. J. Crosbie, A. C. Nicol, “Reciprocal aided gait in paraplegia,” Spinal
áp lực hữu cơ do nhóm tác giả phát triển, hệ thống có thể hiển Cord, pp.353-363, 1990.
3
205
- [4] F. Neaga, et al, “A wireless system for monitoring the progressive loading [11] Khổng Đức Chiến, Phạm Xuân Tùng, Đặng Ngọc Tú, Heisuke Sakai,
of lower limb in post-traumatic rehabilitation,” International Conference Hoàng Văn Phúc, Đào Thanh Toản, “ Xây dựng và hiệu chỉnh mạch đọc
on Advancements of Medicine and Health Care through Technology, pp. cảm biến áp lực hữu cơ,” Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia 2017 về Truyền
54-59, Springer, Berlin, Heidelberg, 2011. thông và Công nghệ thông tin, ISBN: 978-604-67-1021-9, pp. 206-210,
[5] Wada, Chikamune, et al, “Development of a rehabilitation support 2017.
system with a shoe-type measurement device for walking,” In [12] https://store.arduino.cc/arduino-nano, truy cập: Sep 30th 2018.
Proceedings of SICE Annual Conference 2010, pp. 2534-2537, 2010.
[6] Edgar, S. Ryan, et al, “Wearable shoe-based device for rehabilitation of
stroke patients,” Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC),
2010 Annual International Conference of the IEEE, pp. 3772-3775, 2010.
[7] Salpavaara, Timo, et al, “Wireless insole sensor system for plantar force
measurements during sport events,” In Proceedings of IMEKO XIX World
Congress on Fundamental and Applied Metrology, pp. 2118-2123, 2009.
[8] Holleczek, Thomas, et al, “Textile pressure sensors for sports
applications,” Sensors, pp. 732-737, IEEE, 2010.
[9] Khổng Đức Chiến, Hoàng Văn Phúc, Đào Thanh Toản, “Chế tạo cảm
biến áp lực sử dụng vật liệu Polyme, ứng dụng trong tự động theo dõi sức
khỏe công trình xây dựng,” Tạp chí nghiên cứu KH & CNQS, ISSN: 1859
- 1043, số 56, pp. 47-54, 2018.
[10] A. P. Hills, E. M Hennig, M. McDonald, O. Bar-Or, “Plantar pressure
differences between obese and non-obese adults: a biomechanical
analysis,” International journal of obesity, pp.1674-1679, 2001.
4
206
nguon tai.lieu . vn
