Tài liệu: Đề tài nckh thiết kế thiết bị điều khiển đa chức năng dùng

Tài liệu nghiên cứu Đề tài nckh thiết kế thiết bị điều khiển đa chức năng dùng smartphone thông qua firebase, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Nguyễn Anh Quốc Nam
• Người hướng dẫn: Th.s Nguyễn Ngô Lâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện Tử Viễn Thông
• Đề tài: Thiết Kế Thiết Bị Điều Khiển Đa Chức Năng Dùng Smartphone Thông Qua Firebase
• Loại tài liệu: Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Của Sinh Viên
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đề Tài Nghiên Cứu Thiết Kế Thiết Bị Điều Khiển

Đề tài nghiên cứu khoa học về thiết kế thiết bị điều khiển đa chức năng dùng smartphone thông qua Firebase là một công trình tiêu biểu trong lĩnh vực Internet of Things (IoT) và điều khiển từ xa. Đây là đề tài được thực hiện bởi sinh viên ngành Điện tử viễn thông tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM. Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và thi công một thiết bị điều khiển đồ dùng điện gia đình có khả năng được điều khiển trực tiếp qua cảm biến hoặc gián tiếp thông qua ứng dụng smartphone via WiFi. Công nghệ này mang lại sự tiện lợi, an toàn và hiệu quả cao cho các hộ gia đình, khu trọ cao cấp, khách sạn, nhà hàng và các công ty, nhà máy trong việc giám sát và quản lý các thiết bị điện.

1.1. Mục Tiêu Và Tính Mới Của Đề Tài

Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng hệ thống điều khiển thông minh sử dụng một kit ESP32 duy nhất, khác với các thiết bị trên thị trường thường sử dụng chip ARM kết hợp với ESP. Tính sáng tạo nằm ở việc tối ưu hóa chi phí và độ phức tạp của hệ thống. Hệ thống có thể áp dụng cho các thiết bị điện gia đình hoặc trong các tủ điều khiển công nghiệp cần nâng cấp về giám sát và điều khiển từ xa.

1.2. Phạm Vi Ứng Dụng Thực Tiễn

Thiết bị điều khiển đa chức năng có thể được lắp đặt tại các hộ gia đình hiện đại, khu trọ cao cấp, các nhà hàng và khách sạn, hoặc trong các công ty và nhà máy sản xuất. Ứng dụng này giúp nâng cao chất lượng cuộc sống và tăng hiệu suất công việc thông qua công nghệ IoT và điều khiển từ xa.

II. Công Nghệ Cốt Lõi Trong Thiết Kế Thiết Bị Điều Khiển

Để thực hiện đề tài thiết kế thiết bị điều khiển đa chức năng, nhóm nghiên cứu đã sử dụng nhiều công nghệ hiện đại và nổi bật. Công nghệ Firebase đóng vai trò là cơ sở dữ liệu đám mây giúp lưu trữ và quản lý dữ liệu điều khiển. Mạng WiFi được sử dụng để truyền tín hiệu giữa smartphone và thiết bị điều khiển. Kit WEMOS LOLIN32 ESP32 là bộ vi xử lý chính của hệ thống, có khả năng xử lý dữ liệu và kết nối mạng. Ngoài ra, hệ thống sử dụng các cảm biến chạm điện dung TTP223 để nhận lệnh trực tiếp từ người dùng. Các công nghệ này kết hợp với nhau tạo nên một hệ thống điều khiển thông minh hoàn chỉnh.

2.1. Firebase Nền Tảng Lưu Trữ Dữ Liệu

Firebase là một nền tảng cơ sở dữ liệu đám mây do Google phát triển, cung cấp các dịch vụ đáng tin cậy cho ứng dụng di động và web. Các tính năng chính của Firebase bao gồm lưu trữ dữ liệu real-time, xác thực người dùng, và tích hợp phân tích. Ưu điểm của Firebase là độ tin cậy cao, mở rộng dễ dàng, và hỗ trợ đồng bộ hóa dữ liệu nhanh chóng.

2.2. Mạng WiFi Và Mô Hình TCP IP

Mạng WiFi cho phép truyền tải dữ liệu không dây với tốc độ cao. Mô hình TCP/IP là chuẩn giao thức truyền thông quốc tế, gồm 4 lớp: ứng dụng, vận chuyển, internet, và liên kết dữ liệu. Kết hợp WiFi và TCP/IP tạo nên một kết nối ổn định và an toàn để điều khiển thiết bị từ xa.

III. Thiết Kế Phần Cứng Và Lập Trình Ứng Dụng

Quá trình thiết kế thiết bị điều khiển bao gồm hai phần chính: thiết kế phần cứng và lập trình phần mềm. Phần cứng bao gồm sơ đồ khối với ba khối chính: khối cảm biến, khối chấp hành, và khối xử lý trung tâm. Khối cảm biến nhận tín hiệu từ người dùng thông qua cảm biến chạm hoặc ứng dụng smartphone. Khối chấp hành sử dụng relay 5V-10A để điều khiển các thiết bị điện. Khối xử lý trung tâm sử dụng kit LOLIN32 ESP32 để xử lý logic và giao tiếp với Firebase. Phần mềm được lập trình trên Android Studio, tạo ứng dụng di động cho phép người dùng điều khiển thiết bị thông qua giao diện thân thiện.

3.1. Sơ Đồ Khối Và Chức Năng Các Thành Phần

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển gồm ba khối chính: khối cảm biến TTP223 nhận tín hiệu chạm, khối relay làm công tắc điện, và khối xử lý ESP32 điều phối toàn bộ hệ thống. Mỗi khối có chức năng riêng biệt nhưng hoạt động tương tác chặt chẽ để đảm bảo điều khiển hiệu quả.

3.2. Ứng Dụng Android Và Kết Nối Firebase

Ứng dụng Android được phát triển trên Android Studio với giao diện người dùng thân thiện. Ứng dụng kết nối với Firebase để gửi và nhận lệnh điều khiển. Người dùng có thể bật/tắt thiết bị, theo dõi trạng thái, và cài đặt các tác vụ tự động thông qua ứng dụng này.

IV. Kết Quả Đạt Được Và Hướng Phát Triển

Đề tài thiết kế thiết bị điều khiển đa chức năng đã hoàn thành thành công với những kết quả đáng kể. Hệ thống hoạt động ổn định, cho phép điều khiển các thiết bị điện từ xa thông qua smartphone với độ trễ tối thiểu. Thiết bị đã được thử nghiệm thực tế và cho kết quả tích cực trong các môi trường khác nhau. Về mặt giáo dục và đào tạo, đề tài đóng góp quan trọng trong việc trang bị kiến thức về IoT, lập trình ứng dụng, và điều khiển tự động cho sinh viên. Về mặt kinh tế xã hội, thiết bị có tiềm năng ứng dụng rộng rãi, giúp nâng cao chất lượng cuộc sống và tiết kiệm năng lượng.

4.1. Kết Quả Thực Nghiệm Và Đánh Giá

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống điều khiển đa chức năng hoạt động đạt yêu cầu. Các phép thử trên phần cứng và phần mềm đều thành công. Hệ thống có độ ổn định cao, thời gian phản hồi nhanh, và khả năng kết nối ổn định qua mạng WiFi. Các cảm biến nhạy, relay chuyển mạch chính xác.

4.2. Hướng Phát Triển Trong Tương Lai

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo để tự động hóa điều khiển, mở rộng số lượng thiết bị điều khiển, thêm các cảm biến đa dạng, và nâng cao bảo mật hệ thống. Có thể phát triển phiên bản ứng dụng iOS và tích hợp với các nền tảng smarthome hiện có.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS 1. Giới thiệu IoT (Internet of Thing) là một hệ thống mạng lưới mà trong đó tất cả các thiết bị, đối tượng được kết nối Internet thông qua thiết bị mạng (network devices) hoặc các bộ định tuyến (routers). IoT cho phép các đối tượng được điều khiển từ xa dựa trên hệ thống mạng hiện tại.

Công nghệ tiên tiến này giúp giảm công sức vận hành của con người bằng cách tự động hóa việc điều khiển các thiết bị. Ứng dụng của IoTs IoTs được sử dụng trong nhiều lĩnh vực:  Nhà thông minh (Smart Home) Đây là một trong những ứng dụng được quan tâm nhiều nhất trong những năm gần đây. Một ngôi nhà thông minh hoàn toàn có thể được giám sát và điều khiển tự động.1: Smart Home  Chăm sóc sức khỏe Một thiết bị có thể cảnh báo tình trạng và theo dõi sức khỏe là một trong những ứng dụng trong lĩnh vực y tế, những thông số về nhịp tim, huyết áp, đều được thu thập từ xa được phân tích sau đó chuẩn đoán để đưa ra tình trạng sức khỏe hiện tại của bệnh nhân và có thể dự đoán nguy cơ mắc bệnh nhằm có biện pháp phòng ngừa kịp thời.2: IoT trong y tế  Nông nghiệp (Smart Farming) Mô hình nhà kính là một trong những ứng dụng điển hình của công nghệ IoT được áp dụng trong lĩnh vực nông nghiệp. Bên trong hệ thống này cây trồng hoàn toàn cách ly với điều kiện thời tiết bên ngoài, việc điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng đều tự động hóa.

Đồng thời theo dõi được tình trạng phát triển của cây trồng, xác định thời gian thu hoạch, giảm thiểu tối đa công sức người lao động.3: IoT trong nông nghiệp  Thành phố thông minh (Smart City) Có thể xem đây là tập hợp của tất cả ứng dụng của IoT vào một hệ thống lớn. Một giải pháp đã và đang được nhiều quốc gia trên thế giới áp dụng ở các thành phố lớn nhằm giải 15 quyết những vấn đề cấp bách như tình trạng kẹt xe, gia tăng dân số, ô nhiễm môi trường, ngập lụt,. Mọi thứ trong thành phố thông minh này được kết nối, dữ liệu sẽ được giám sát bởi một loạt các máy tính mà không cần bất kỳ sự tương tác nào của con người. TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIFI 1.

Giới thiệu về WiFi WiFi viết tắt của từ Wireless Fidelity là một mạng thay thế cho mạng có dây thông thường, thường được sử dụng để kết nối các thiết bị ở chế độ không dây bằng việc sử dụng công nghệ sóng vô tuyến. Dữ liệu được truyền qua sóng vô tuyến cho phép các thiết bị truyền nhận dữ liệu ở tốc độ cao trong phạm vi của mạng WiFi. Kết nối các máy tính với nhau, với Internet và với mạng có dây. WiFi (Wireless Fidelity) là thuật ngữ dùng chung để chỉ tiêu chuẩn IEEE802.11 cho mạng cục bộ không dây (Wireless Local Networks) hoặc WLANs.

Việc sử dụng rộng rãi và tính sẵn có của nó ở nhà và nơi công cộng như công viên, quán café, sân bay,. đã khiến WiFi trở thành một trong những công nghệ truyền nhận dữ liệu phổ biến nhất hiện nay. Các chuẩn công nghệ truyền nhận dữ liệu  IEEE 802. Khoảng cách hoạt động 300- 500m Ưu điểm: giá thành thấp, tầm phủ sóng tốt Nhược điểm: Tốc độ thấp • IEEE 802.

Khoảng cách hoạt động 60- 200m Ưu điểm: sử dụng ở tần số cao nên tránh được nhiễu từ các thiết bị dân dụng, tốc độ truyền nhanh. Nhược điểm: giá thành cao, tầm phủ song ngắn • IEEE 802. Khoảng cách hoạt động 300- 500m Ưu điểm: tốc độ cao, phạm vi hoạt động lớn Nhược điểm: giá thành cao, các thiết bị có thể bị xuyên nhiễu từ các thiết bị khác có cùng băng tần • IEEE 802.11n Ra đời năm 2009 Tần số 2,4 GHz hoặc 5GHz Tốc độ 54- 600Mbps (lý thuyết) Khoảng cách hoạt động 300-500m 17 Ưu điểm: tốc độ cao, phạm vi hoạt động lớn, khả năng chịu đựng tốt hơn từ việc xuyên nhiễu các nguồn bên ngoài Nhược điểm: giá thành cao, có thể gây nhiễu với mạng 802. Các thành phần của mạng WiFi • Access Point (AP) AP là bộ thu phát không dây LAN (Local – Area Network), hoặc là trạm cơ sở có thể kết nối đồng thời một hoặc nhiều thiết bị không dây với Internet.

• WiFi Card Cho phép chấp nhận tín hiệu không dây và thông tin chuyển tiếp. • Safeguards Khả năng bảo vệ: tường lửa và phần mềm chống virus giúp giữ an toàn thông tin cho người dùng. Cách thức hoạt động của WiFi Một bộ phát WiFi lấy tín hiệu Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển thành tín hiệu vô tuyến sẽ trở thành một điểm truy cập. Khi các thiết bị có hỗ trợ WiFi như điện thoại smartphone, máy tính bảng, laptop.

bắt gặp điểm phát sóng, các thiệt bị đó có thể kết nối không dây với mạng đó. Một điểm truy cập có thể hổ trợ tối đa đến 30 người dùng, nhiều điểm truy cập có thể được kết nối với nhau thông qua cáp Ethernet để tạo ra một mạng lớn. Ưu điểm và nhược điểm của mạng WiFi • Ưu điểm:  Dễ dàng lắp đặt.  Dễ nâng cấp và phát triển  Tính linh hoạt cao.

 Chi phí phù hợp. • Nhược điểm: 18  Bảo mật thấp , dễ bị tấn công ,  Phạm vi kết nối còn giới hạn  Càng nhiều người kết nối thì tốc độ truy cập càng giảm 1. Cách thức Ứng dụng truyền hoặc nhận dữ liệu thông qua WiFi: Dữ liệu từ Ứng dụng sẽ được đóng gói thành các frame (khung) ở tầng mạng. Sau đó các frame này được biến đổi thành mã nhị phân dưới dạng tín hiệu điện.

Tín hiệu điện này được truyền đi qua ăng-ten của điện thoại. Tín hiệu này có tần số là 2.4GHz hoặc 5GHz vì đặc điểm của sóng WiFi là sóng vô tuyến có tần số 2.4GHz hoặc 5GHz. Tín hiệu dữ liệu được thu và được giải mã ở ăng-ten của router mạng cục bộ (LAN-Local Area Network). Sau khi giải mã, tín hiệu dữ liệu lại được mã hóa một lần nữa (đệm tín hiệu).

Dữ liệu sẽ được kết nối với Internet thông qua một kết nối dây Ethernet. Ngược lại, để thu về dữ liệu từ mạng thì data được mã hóa ở router rồi gửi đến điện thoại thông qua kênh truyền WiFi. Tần số thu phụ thuộc vào kết nối của thiết bị với WiFi đang ở băng tần nào. Dữ liệu khi được thu về điện thoại dưới dạng tín hiệu điện sẽ được giải mã về ký tự.

Sau đó sẽ được gỡ bỏ các header của các lớp ở dưới tầng ứng dụng. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TCP/IP 1. Giới thiệu TCP/ IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol - Giao thức điều khiển truyền nhận/ Giao thức liên mạng): TCP/IP là một bộ giao thức trao đổi thông tin được sử dụng để truyền tải và kết nối các thiết bị trong mạng Internet. Cấu trúc mô hình TCP Hình 1.5: Cấu trúc mô hình TCP và dạng dữ liệu ở mỗi lớp Mô hình TCP có cấu tạo gồm 4 tầng: Application Layer (tầng Ứng dụng), Transport Layer (tầng Vận chuyển), Internet Layer (tầng Mạng), Network Access Layer (tầng Truy cập mạng).

Cách thức hoạt động TCP/IP là sự kết hợp giữa 2 giao thức. Trong đó IP cho phép các gói tin được gửi đến đích đã định sẵn, bằng cách thêm các thông tin dẫn đường vào các gói tin để các gói tin được đến đúng đích đã định sẵn ban đầu. Và giao thức TCP đóng vai trò kiểm tra và đảm bảo sự an toàn cho mỗi gói tin khi đi qua mỗi trạm. Trong quá trình này, nếu giao thức TCP nhận thấy gói tin bị lỗi, một tín hiệu sẽ được truyền đi và yêu cầu hệ thống gửi lại một gói tin khác.

Tầng Ứng dụng: Đây là lớp giao tiếp trên cùng của mô hình, tầng Ứng dụng đảm nhận vai trò giao tiếp dữ liệu giữa 2 host khác nhau thông qua các dịch vụ mạng khác nhau (duyệt web, chat, gửi email, một số giao thức trao đổi dữ liệu: SMTP, SSH, FTP, HTTP, HTTPS,…). Dữ liệu khi đến đây sẽ được định dạng theo kiểu Byte nối Byte, cùng với đó là các thông tin định tuyến giúp xác định đường đi đúng của một gói tin. 20 APPLICATON LAYER Data to The Network APPLICATION Data TRANSPORT Segments DATA FLOW INTERNET LAYER Packet LINK or NETWORK INTERFACE Bits and Data from Frames The Network Hình 1.6: Hướng của luồng dữ liệu Tầng Vận chuyển: Chức năng chính là xử lý vấn đề giao tiếp giữa các máy chủ trong cùng một mạng hoặc khác mạng được kết nối với nhau thông qua bộ định tuyến. Tại đây dữ liệu sẽ được phân đoạn, mỗi đoạn sẽ không bằng nhau nhưng kích thước phải nhỏ hơn 64KB.

Cấu trúc đầy đủ của một Segment lúc này là Header chứa thông tin điều khiển và sau đó là dữ liệu. Trong tầng này còn bao gồm 2 giao thức cốt lõi là TCP và UDP. Trong đó, TCP đảm bảo chất lượng gói tin nhưng tiêu tốn thời gian khá lâu để kiểm tra đầy đủ thông tin từ thứ tự dữ liệu cho đến việc kiểm soát vấn đề tắc nghẽn lưu lượng dữ liệu. Trái với điều đó, UDP cho thấy tốc độ truyền tải nhanh hơn nhưng lại không đảm bảo được chất lượng dữ liệu được gửi đi.

21 UDP Header cung cấp cho: TCP Header cấp cho: - Cổng nguồn và cổng đích. - Cổng nguồn và cổng đích. - Trình tự gửi các phân đoạn cho cùng 1 yêu cầu. - Xác nhận các phân đoạn đã nhận.

- Điều khiển lưu lượng và quản lý tắt nghẽn.7: Sơ đồ mô tả chức năng vận chuyển Tầng Mạng: Tại đây, các phân đoạn dữ liệu sẽ được đóng gói (Packets) với kích thước mỗi gói phù hợp với mạng chuyển mạch mà nó dùng để truyền dữ liệu một cách logic trong mạng. Lúc này, các gói tin được chèn thêm phần Header chứa thông tin của tầng mạng và tiếp tục được chuyển đến tầng tiếp theo. Các giao thức chính trong tầng là IP, ICMP và ARP. Tầng Truy cập mạng (còn được gọi là tầng liên kết dữ liệu hay tầng giao tiếp mạng): là tầng thấp nhất trong mô hình TCP/IP, liên quan tới việc trao đổi dữ liệu giữa hai host (thiết bị) trong cùng một mạng.

Bao gồm các thiết bị giao tiếp mạng và các chương trình cung cấp các thông tin cần thiết để có thể hoạt động, truy nhập đường truyền vật lý qua các thiết bị giao tiếp mạng đó. Các chức năng bao gồm việc kiểm soát truy nhập môi trường truyền dẫn, kiểm lỗi và lưu thông dữ liệu.GIỚI THIỆU VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU FIREBASE 1. Khái niệm Hình 1.