Đồ án Thiết kế xe điều khiển bằng điện thoại trên nền kit Raspberry Pi (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế xe điều khiển bằng điện thoại trên nền kit Raspberry Pi (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ÐIỆN – ÐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN- ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ XE ÐIỀU KHIỂN BẰNG ÐIỆN THOẠI TRÊN NỀN KIT RASPBERRY PI GVHD: THS. NGUYỄN THANH TÂM SVTH: LÊ VŨ MSSV: 10101177 SVTH: PHAN ANH TUẤN MSSV: 10101159 SKL003047 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ XE ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN THOẠI TRÊN NỀN KIT RASPBERRY PI GVHD: Ths. NguyễnThanhTâm SVTN: PhanAnhTuấn MSSV: 10101159 Tp. HồChí Minh - 7/2014
3. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ XE ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN THOẠI TRÊN NỀN KIT RASPBERRY PI GVHD: THS. NGUYỄN THANH TÂM SVTN : LÊ VŨ MSSV: 10101177 Lớp : 101011A, Hệ chính qui Tp. Hồ Chí Minh - 7/2014
4. PHẦN I GIỚI THIỆU i
5. TRƢỜNG ĐH. SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. HCM, ngày 11 tháng 07 năm 2014 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Phan Anh Tuấn MSSV: 10101159 Lê Vũ MSSV: 10101177 Chuyên ngành: Kĩ thuật Điện-điện tử Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2010 Lớp: 101011 I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ XE ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN THOẠI TRÊN NỀN KIT RASPBERRY PI II. NHIỆM VỤ 1. Các yêu cầu thực hiện, thông số của đề tài: 2. Các vấn đề tồn tại của ĐATN có liên quan đã thực hiện ở các khóa trƣớc: ii
6. 3. ĐATN giải quyết đƣợc vấn đề gì, tính mới, tính cải tiến, tính tối ƣu: 4. Kết quả đạt đƣợc của ĐATN sau khi thực hiện: III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/03/2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/07/2014 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: Ths. Nguyễn Thanh Tâm CÁN BỘ HƢỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Ths. Nguyễn Thanh Tâm Ts. Nguyễn Thanh Hải iii
7. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Bộ Môn Điện Tử Viễn Thông LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Phan Anh Tuấn Lớp: 101011A MSSV: 10101159 Họ tên sinh viên 2: Lê Vũ Lớp: 101011A MSSV: 10101177 Tên đề tài: THIẾT KẾ XE ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN THOẠI TRÊN NỀN KIT RASPBERRY PI Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD Tuần 1,2 (2-15/03/2014) Nhận đồ án , tìm hiểu đề tài Tuần 3,4,5,6 (16/3-12/04/2014) Tìm hiểu ngôn ngữ PYTHON, JAVA, phần mềm SDK Tuần 7, 8 (13/4-26/04/2014) Thiết kế phần cứng, mạch điều khiển Tuần 9, 10 (27/4-10/05/2014) Lập trình trên kit Raspberry Tuần 11, 12, 13 (11/5-31/05/2014) Lập trình trên điện thoại Các tuần còn lại (1/6-15/07/2014) Hoàn thiện, khắc phục lỗi phát sinh GV HƢỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) Ths. Nguyễn Thanh Tâm iv
8. Trường ĐHSư Phạm Kỹ Thuật PHIẾU CHẤM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khoa Điện – Điện Tử (Dành cho cán bộ hướng dẫn) BM Điện Tử Công Nghiệp Ngày tháng năm 20 1. Họ tên sinh viên: 1.PHAN ANH TUẤN 2.LÊ VŨ 2. Tên đề tài tốt nghiệp: THIẾT KẾ XE ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN THOẠI TRÊN NỀN KIT RASPBERRY PI 3. Cán bộ hướng dẫn: THS.NGUYỄN THANH TÂM 4. Tổng quát về bản thuyết minh:Số trang :90 Số chƣơng : 08 Sản phẩm: xe điều khiển bằng điện thoại smartphone. 5. Mục tiêu chính của ĐATN:  Tìm hiểuvề lập trình kit raspberry pi.  Thiết kế xe tự hành có gắn camera đƣợc điều khiển bằng điện thoại smartphone thông qua kết nối IP.  Viết phần mềm điều khiển trên smartphone dung hệ điều hành android. 6. Các vấn đề tồn tại của ĐATN có liên quan đã thực hiện ở các khóa trước:  Giải quyết vấn đề điều khiển và truyền video qua mạng IP.  Sử dụng nền tảng kit raspberry Pi để điều khiển và truyền dữ liệu,kết nối với smartphone. 7. ĐATN của nhóm đã giải quyết được vấn đề gì, tính mới, tính cải tiến, tính tối ưu:  Sử dụng smartphone để thực hiện việc điều khiển/kiểm soát thiết bị từ xa. 8. Kết quả đạt được ĐATN:  Xe tự hành với phần điều khiển sử dụng kit raspberry pi.  Ứng dụng android để điều khiển xe tự hành. 9. Nhận xét của giảng viên hướng dẫn: . . . . . . . v
9. . . . . . . 10. Đề nghị : Được bảo vệ: Bổ sung để được bảo vệ: Không được bảo vệ: 11. Các câu hỏi sinh viên phải trả lời trước hội đồng : (dành cho cán bộ phản biện) Câu 1: . . Câu 2: . . Câu 3: . . 12. Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB, yếu): Điểm: /10. 13. Xin mời GV hướng dẫn và GV phản biện tham gia hội đồng bảo vệ của thư mời đính kèm. Chú ý từ mục 1 đến 9 thì SV tự ghi. Cán bộ chấm đồ án vi
10. Trường ĐHSư Phạm Kỹ Thuật PHIẾU CHẤM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khoa Điện – Điện Tử (Dành cho cán bộphản biện) BM Điện Tử Công Nghiệp Ngày tháng năm 20 1. Họ tên sinh viên: 1.PHAN ANH TUẤN 2.LÊ VŨ 2. Tên đề tài tốt nghiệp: THIẾT KẾ XE ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN THOẠI TRÊN NỀN KIT RASPBERRY PI 3. Cán bộ hướng dẫn: THS.LÊ MINH THÀNH 4. Tổng quát về bản thuyết minh:Số trang :90 Số chƣơng : 08 Sản phẩm: xe điều khiển bằng điện thoại smartphone. 5. Mục tiêu chính của ĐATN:  Tìm hiểuvề lập trình kit raspberry pi.  Thiết kế xe tự hành có gắn camera đƣợc điều khiển bằng điện thoại smartphone thông qua kết nối IP.  Viết phần mềm điều khiển trên smartphone dung hệ điều hành android. 6. Các vấn đề tồn tại của ĐATN có liên quan đã thực hiện ở các khóa trước:  Giải quyết vấn đề điều khiển và truyền video qua mạng IP.  Sử dụng nền tảng kit raspberry Pi để điều khiển và truyền dữ liệu,kết nối với smartphone. 7. ĐATN của nhóm đã giải quyết được vấn đề gì, tính mới, tính cải tiến, tính tối ưu:  Sử dụng smartphone để thực hiện việc điều khiển/kiểm soát thiết bị từ xa. 8. Kết quả đạt được ĐATN:  Xe tự hành với phần điều khiển sử dụng kit raspberry pi.  Ứng dụng android để điều khiển xe tự hành. 9. Nhận xét của giảng viên phản biện: . . . . . . vii
11. . . . . . . . 10. Đề nghị : Được bảo vệ: Bổ sung để được bảo vệ: Không được bảo vệ: 11. Các câu hỏi sinh viên phải trả lời trước hội đồng : (dành cho cán bộ phản biện) Câu 1: . . Câu 2: . . Câu 3: . . 12. Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB, yếu): Điểm: /10. 13. Xin mời GV hướng dẫn và GV phản biện tham gia hội đồng bảo vệ của thư mời đính kèm. Chú ý từ mục 1 đến 9 thì SV tự ghi. Cán bộ chấm đồ án LỜI MỞ ĐẦU viii
12. Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử đang và sẽ tiếp tục đƣợc ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế kỹ thuật cũng nhƣ đời sống xã hội. Raspberry Pi là cái máy tính giá 35USD kích cỡ nhƣ iPhone và chạy HĐH Linux. Với mục tiêu chính của chƣơng trình là giảng dạy máy tính cho trẻ em. Đƣợc phát triển bởi Raspberry Pi Foundation – là tổ chức phi lợi nhuận với tiêu chí xây dựng hệ thống mà nhiều ngƣời có thể sử dụng đƣợc trong những công việc tùy biến khác nhau. Raspberry Pi sản xuất bởi 3 OEM: Sony, Qsida, Egoman. Và đƣợc phân phối chính bởi Element14, RS Components và Egoman. Android là một hệ điều hành đƣợc sử dụng rất phổ biến, rộng rãi trên các điện thoại smartphone hiện nay. Việc nghiên cứu lập trình, xây dựng các ứng dụng trên Android cũng đang rất đƣợc nhiều ngƣời quan tâm. Quyển đồ án này giúp ngƣời đọc nắm bắt đƣợc những thông tin khái quát về phần cứng của Board Raspberry Pi, và việc lập trình trên nó. Đồng thời hiểu sơ nét về hệ điều hành Android cũng nhƣ sử dụng công cụ SDK Eclipse để lập trình Android. Quyển đồ án này bao gồm 3 phần: Phần I: Giới thiệu Phần II: Nội dung Phần III: Phụ lục Mặc dù nhóm thực hiện đề tài đã hoàn thiện đƣợc quyển đồ án, mô hình xe và ứng dụng Android, nhƣng do còn hạn chế về kiến thức nên chắc chắn còn thiếu sót. Nhóm thực hiện đề tài mong nhận nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô cùng các bạn sinh viên. Ngƣời thực hiện đề tài Lê Vũ Phan Anh Tuấn ix
13. LỜI CẢM ƠN Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Thanh Tâm đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo, kinh nghiệm quý báu cũng nhƣ hỗ trợ phƣơng tiện vật tƣ trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu đề tài. Đồng thời cũng chúng em xin cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện - Điện Tử đã tạo điều kiện, cung cấp cho nhóm những kiến thức cơ bản, cần thiết để chúng em có điều kiện và đủ kiến thức để thực hiện quá trình nghiên cứu Đồng thời, nhóm cũng xin cám ơn các thành viên trong lớp 101011 đã có những ý kiến đóng góp, bổ sung, giúp nhóm hoàn thành tốt đề tài. Ngoài ra, nhóm cũng đã nhận đƣợc sự chỉ bảo của các anh (chị) đi trƣớc. Các anh (chị) cũng đã hƣớng dẫn và giới thiệu tài liệu tham khảo thêm trong việc thực hiện nghiên cứu. Trân trọng Nhóm thực hiện đồ án Lê Vũ Phan Anh Tuấn x
14. MỤC LỤC PHẦN I i GIỚI THIỆU i NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv LỜI MỞ ĐẦU viii LỜI CẢM ƠN x LIỆT KÊ HÌNH – BẢNG 4 PHẦN II 6 NỘI DUNG 6 CHƯƠNG I 7 DẪN NHẬP 7 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: 7 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 7 1.3 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 7 1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 8 1.5 DÀN Ý NGHIÊN CỨU 8 1.6 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 9 1.7 Ý NGHĨA THỰC TIỄN 11 CHƯƠNG II 12 RASPBERRY PI 12 2.1 Giới thiệu về Board Raspberry Pi: 12 2.2 Cấu hình của Raspberry Pi: 13 2.3 Kết nối của Raspberry Pi: 14 2.4 Giới thiệu hệ điều hành cho Raspberry Pi: 17 2.5 Một số thao tác cơ bản với một máy tính Linux: 17 CHƯƠNG III 22 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH PYTHON 22 3.1 Python là gì? 22 3.2 Đặc điểm của ngôn ngữ lập trình Python: 22 CHƯƠNG IV 28 4.1 Tổng quan về hệ điều hành android 28 4.1.3.Sơ lƣợc về lập trình ứng dụng cho android 33 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1
15. 4.1.4.Các thành phần cơ bản của một ứng dụng android 37 4.2 Lập trình mạng trong Android 45 4.2.2. Phƣơng Thức và Thuộc Tính 46 CHƯƠNG V 52 USB Wifi -Khung xe - Mạch cầu H-L298 - PIN LIPO 52 5.1 USB Wifi: 52 5.2Khung xe: 52 5.3 Mạch cầu H-L298: 53 53 5.4. PIN LIPO: 55 Gens ace 3500mAh 7.4V RX 2S1P Lipo Battery packs 55 CHƯƠNG VI 56 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 56 6.1. Yêu cầu bài toán: 56 6.2 Phƣơng án thiết kế phần cứng: 56 6.3 Sơ đồ khối: 57 6.4 Chức năng các khối: 57 6.5 Sơ đồ nguyên lý: 57 CHƯƠNG VII 59 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 59 7.1 Cài đặt hệ điều hành Raspian cho Raspberry Pi: 59 7.1.1 Lựa chọn và cài đặt hệ điều hành: 59 7.2 Lựa chọn ngôn ngữ lập trình: 63 7.3 Chƣơng trình điều khiển: 66 7.4 Kết luận về thiết kế xe điều khiển bằng điện thoại: 72 CHƯƠNG VIII 73 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU - KẾT LUẬN 73 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 73 8.1 .Kết quả nghiên cứu: 73 - Chạy ứng dụng điều khiển 76 8.2 Kết luận: 78 8.3 Hƣớng phát triển của đề tài: 78 PHẦN III 79 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2
16. PHỤ LỤC 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 NỘI DUNG ĐÍNH KÈM (CD) 81 1. Nội dung: 81 2. Mã nguồn: 81 3. Hình ảnh của đề tài: 81 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3
17. LIỆT KÊ HÌNH – BẢNG Hình 1 Board Raspberry Pi. 12 Hình 2 Những thông số sơ lược về Raspberry Pi B v2. 13 Hình 3 Sơ đồ các chân GPIO của board RPi. 16 Hình 4 Raspberry Pi và các thiết bị kết nối với nó. 16 Hình 5 Kiến trúc hệ điều hành Android 30 Hình 6 Mô hình hợp tác giữa máy ảo Dalvik và Navite code 32 Hình 7 Biểu đồ so sánh tốc độ của máy ảo java giữa các phiên bản Android 33 Hình 8 Thành phần của một ứng dụng android 35 Hình 9 Khai báo activity trong Menifest 38 Hình 10 Vòng đời của activity 39 Hình 11 Sử dụng Intent để trao đổi thông tin giữa hai chƣơng trình 39 Hình 12Vòng đời của service 42 Hình 13 USB Wifi TL-WN725N 52 Hình 14 Khung xe 53 Hình 15 Mạch L298N 54 Hình 16 pin Lipo Wild Scorpion 2200mAh 7.4V 55 Hình 17 Các thông số kỹ thuật của pin Lipo Gens ace 3500mAh 7.4V RX 2S1P 55 Hình 18 Sơ đồ khối hệ thống xe điều khiển 57 Hình 19 Sơ đồ nguyên lý hệ thống xe điều khiển bằng điện thoại. 57 Hình 20 Sơ chân IO của board Raspberry Pi. 58 Hình 21 Sơ đồ kết nối board Pi với các thiết bị 60 Hình 22 Chạy phần mềm Win32DiskImage 60 Hình 23 Khởi động và thiết lập Raspberry Pi. 61 Hình 24 Màn hình Raspberry Pi login 61 Hình 25 Đăng nhập vào Pi thành công. 62 Hình 26 Giao diện hệ điều hành Raspbian. 62 Hình 27 Kết nối các thiết bị với Raspberry Pi. 63 Hình 28 Giao diện Terminal. 64 Hình 29 Giao diện IDLE3 65 Hình 30 Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình nhận dữ liệu và xử lí điều khiển trên RPi. 66 Hình 32 Xe điều khiển nhìn từ phía dƣới. 74 Hình 33 Xe điều khiển nhìn từ phía trên. 74 Hình 34 Truy cập ssh vô RPi bằng điện thoại, chạy code python 75 Hình 35 Giao diện khởi động và thông tin của ứng dụng 76 Hình 36 Giao diện hƣớng dẫn sử dụng ứng dụng 76 Hình 37 Giao diện điều khiển của ứng dụng 77 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4
18. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5
19. PHẦN II NỘI DUNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6
20. CHƢƠNG I CHƯƠNG I DẪN NHẬP 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: Thiết kế xe điều khiển từ xa là một đề tài đã có từ lâu. Đề tài này có thể ứng dụng nhiều loại công nghệ khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp. Ví dụ nhƣ điều khiển bằng sóng hồng ngoại, Bluetooth, Wifi Tùy theo từng công nghệ sẽ có những ƣu, nhƣợc điểm khác nhau. Wifi là kết nối thông dụng và phổ biến nhất hiện nay, nó xuất hiện trong từng hộ dân cƣ, trƣờng học, công sở. Nó cho phép sự truyền nhận thông tin một cách nhanh chóng, an toàn. Việc phát triển của các board lập trình nhúng cho ta nhiều lựa chọn trong việc muốn sử dụng những công nghệ cao, tiên tiến hơn trong việc điều khiển. Kit Raspberry Pi (RPi) và điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android là 2 trong số các board nhúng cho ta điều đó. Cả 2 đều có kết nối Wifi nên việc phát triển đề tài này là rất phù hợp. 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Chúng tôi muốn nghiên cứu về một máy tính chạy hệ điều hành Linux cụ thể là Kit Raspberry Pi và tìm hiểu về lập trình các ứng dụng Android để điều khiển bằng công cụ SDK Eclipse. Nên thiết kế một chiếc xe đƣợc điều khiển bằng điện thoại thông qua wifi là một đề tài gần gũi với ngành học của chúng tôi và cũng bao gồm các đối tƣợng mà chúng tôi muốn nghiên cứu. 1.3 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Board Raspberry Pi. Ngôn ngữ lập trình Python. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7
21. CHƢƠNG I Lập trình Android bằng công cụ SDK Eclipse của Google. Ngôn ngữ lập trình Java. 1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Nghiên cứu phần cứng của Board Raspberry Pi, xe chỉ là một mô hình đơn giản, nhỏ, mang tính chất thí nghiệm, chƣa có nhiều tính năng phức tạp. Ứng trên điện thoại Android đƣợc xây dựng khá cơ bản bao gồm 4 nút điều khiển tiến ,lùi , rẽ phải và rẽ trái. Hệ thống chỉ đƣợc điều khiển thông qua sóng Wifi cho nên hạn chế về khoảng cách. 1.5 DÀN Ý NGHIÊN CỨU 1.5.1 Board Raspberry Pi Tổng quan về Board Raspberry Pi. Thông số kỹ thuật của Board Raspberry Pi. So sánh đặc tính của Board Raspberry Pi so với các Board nhúng khác. Các kết nối của Raspberry Pi. 1.5.2 Hệ điều hành Android Tổng quan về hệ điều hành Android. Ngôn ngữ Java. Công cụ SDK Eclipse. 1.5.3 Kết nối Wi-fi, giao thức TCP/IP 1.5.4 Thiết kế XE ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN THOẠI TRÊN NỀN KIT RASPBERRY PI Tìm hiểu thiết kế các mô hình xe điều khiển. Giới thiệu các linh kiện đƣợc sử dụng. Phân tích thiết kế cho các Module . Tổng hợp các Module riêng biệt thành một hệ thống “mô hình xe điều khiển” hoàn chỉnh. Lập trình ứng dụng điều khiển cho một số module đƣợc thiết kế. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4