Đồ án mô hình hệ thống giám sát nhà thông minh - ĐH SPKT TPHCM

Tổng hợp đồ án tốt nghiệp HCMUTE về mô hình hệ thống giám sát nhà thông minh qua IoT. Phân tích chi tiết sơ đồ mạch, nguyên lý vận hành và lập trình điều khiển.

• Tác giả: Phan Lâm Trường
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Ngô Lâm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Mô hình hệ thống giám sát nhà thông minh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án HCMUTE hệ thống giám sát nhà thông minh

Hệ thống giám sát nhà thông minh sử dụng công nghệ IoT nhằm nâng cao an ninh và tiện ích cho người dùng. Đồ án HCMUTE nghiên cứu xây dựng mô hình tích hợp các cảm biến và thiết bị điều khiển thông minh. Hệ thống giám sát môi trường bao gồm cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khí gas và khói, cùng camera giám sát. Dữ liệu thu thập được truyền về vi điều khiển ESP32, sau đó gửi đến nền tảng IoT như Blynk hoặc giao diện web. Mô hình hướng tới tối ưu hóa chi phí và hiệu suất hoạt động. Ứng dụng thực tế giúp cảnh báo kịp thời các nguy cơ như cháy nổ hoặc xâm nhập bất hợp pháp.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính là thiết kế mô hình giám sát nhà thông minh có khả năng thu thập dữ liệu thời gian thực. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các cảm biến môi trường cơ bản như MQ-2 (khí gas), DHT11 (nhiệt độ-độ ẩm) và AS608 (vân tay). Hệ thống sử dụng vi điều khiển ESP32 kết nối Wi-Fi để truyền dữ liệu. Giao diện điều khiển được xây dựng trên nền tảng web nhằm thuận tiện cho người dùng. Đồ án không bao gồm các giải pháp bảo mật nâng cao như blockchain hay mật mã phức tạp.

1.2. Tầm quan trọng của hệ thống giám sát thông minh

Hệ thống giám sát nhà thông minh mang lại lợi ích thiết thực trong cuộc sống hiện đại. Nó giúp ngăn ngừa các sự cố an toàn như rò rỉ khí gas hoặc cháy nổ nhờ cảnh báo sớm. Người dùng có thể điều khiển thiết bị từ xa thông qua điện thoại hoặc máy tính. Đặc biệt, tích hợp cảm biến vân tay nâng cao tính bảo mật, ngăn chặn xâm nhập trái phép. Hơn nữa, hệ thống tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng bằng cách tự động điều chỉnh các thiết bị điện.

II. Phân tích nhu cầu và thách thức trong giám sát nhà thông minh

Hiện nay, nhu cầu giám sát nhà thông minh ngày càng tăng do xu hướng đô thị hóa và an ninh không ngừng được quan tâm. Người dùng mong muốn hệ thống hoạt động ổn định, dễ sử dụng và có chi phí hợp lý. Tuy nhiên, thách thức chính nằm ở khả năng tương thích giữa các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau. Việc tích hợp cảm biến và vi điều khiển đòi hỏi kiến thức chuyên môn về lập trình nhúng. Ngoài ra, vấn đề bảo mật dữ liệu cũng là mối quan tâm hàng đầu khi hệ thống kết nối Internet. Đồ án HCMUTE tập trung khắc phục những hạn chế này thông qua thiết kế mô-đun hóa.

2.1. Các vấn đề thường gặp trong hệ thống giám sát truyền thống

Hệ thống giám sát truyền thống phụ thuộc nhiều vào con người, dẫn đến khả năng phản ứng chậm trễ. Thiếu sự tích hợp cảm biến đa dạng khiến việc phát hiện nguy cơ trở nên hạn chế. Chi phí lắp đặt cao do yêu cầu phần cứng chuyên dụng. Người dùng cũng gặp khó khăn trong việc quản lý nhiều thiết bị điều khiển riêng lẻ. Đặc biệt, hệ thống dễ bị tấn công mạng do thiếu cơ chế bảo mật tiên tiến.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với mô hình giám sát thông minh

Mô hình cần đáp ứng yêu cầu hoạt động liên tục 24/7 với độ trễ thấp. Các cảm biến phải có độ chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh. Hệ thống phải tương thích với nhiều giao thức truyền thông như Wi-Fi, Zigbee. Khả năng mở rộng là yếu tố quan trọng để bổ sung thêm thiết bị sau này. Ngoài ra, giao diện người dùng cần đơn giản nhưng trực quan, hỗ trợ đa ngôn ngữ.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống giám sát nhà thông minh HCMUTE

Giải pháp thiết kế hệ thống giám sát nhà thông minh HCMUTE dựa trên nền tảng IoT và vi điều khiển ESP32. Hệ thống sử dụng cảm biến MQ-2 phát hiện khí gas, DHT11 đo nhiệt độ-độ ẩm, và AS608 nhận dạng vân tay. Dữ liệu từ cảm biến được xử lý bằng vi điều khiển, sau đó truyền qua Wi-Fi đến máy chủ cục bộ hoặc nền tảng đám mây. Giao diện web được xây dựng bằng HTML, CSS và JavaScript, cho phép người dùng theo dõi trạng thái thời gian thực. Hệ thống cũng tích hợp cảnh báo qua email hoặc ứng dụng di động.

3.1. Lựa chọn cảm biến và thiết bị phần cứng

Cảm biến MQ-2 được chọn do khả năng phát hiện nhiều loại khí gas với phạm vi 300-10000 ppm. DHT11 cung cấp độ chính xác 2-5% cho nhiệt độ và 5% cho độ ẩm. Module AS608 hỗ trợ lưu trữ tối đa 120 dấu vân tay. ESP32 được ưu tiên vì tích hợp sẵn Wi-Fi, Bluetooth và khả năng xử lý đa nhiệm. Nguồn cấp 5V DC đảm bảo hoạt động ổn định cho toàn bộ hệ thống.

3.2. Phần mềm điều khiển và giao diện người dùng

Phần mềm điều khiển sử dụng ngôn ngữ C++ lập trình vi điều khiển ESP32. Thư viện Adafruit_Fingerprint được tích hợp để xử lý dữ liệu vân tay. Giao diện web sử dụng framework Flask (Python) hiển thị dữ liệu theo thời gian thực. Người dùng có thể điều khiển thiết bị qua các nút bấm ảo hoặc lệnh thoại. Hệ thống cũng hỗ trợ lưu trữ dữ liệu lịch sử nhằm phân tích xu hướng sử dụng.

IV. Kết quả ứng dụng và hướng phát triển đồ án HCMUTE

Mô hình hệ thống giám sát nhà thông minh HCMUTE đã được thử nghiệm và chứng minh hiệu quả trong môi trường thực tế. Kết quả cho thấy khả năng phát hiện khí gas chính xác tới 95% và thời gian phản hồi dưới 10 giây. Giao diện web hoạt động ổn định với độ trễ trung bình 1,2 giây. Hệ thống nhận dạng vân tay đạt tỷ lệ chính xác 98%. Hướng phát triển bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự đoán nguy cơ và mở rộng sang hệ thống đa căn hộ.

4.1. Kết quả thử nghiệm và hiệu suất hệ thống

Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy cảm biến MQ-2 phát hiện khí gas chính xác ở nồng độ 500 ppm. Hệ thống gửi cảnh báo qua email trong vòng 3 giây sau khi phát hiện sự cố. Giao diện web hiển thị dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm cập nhật mỗi 2 giây. Module vân tay AS608 nhận dạng thành công 95% dấu vân tay trong môi trường thử nghiệm. Độ tin cậy của hệ thống đạt 99% sau 100 giờ hoạt động liên tục.

4.2. Hướng phát triển và nâng cấp trong tương lai

Tương lai, hệ thống sẽ tích hợp trí tuệ nhân tạo để phân tích dữ liệu theo thời gian thực. Mở rộng sang hệ thống giám sát tòa nhà đa căn hộ với khả năng quản lý tập trung. Thêm chức năng điều khiển bằng giọng nói thông qua trợ lý ảo. Nâng cấp bảo mật bằng thuật toán mã hóa AES-256. Tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng bằng thuật toán học máy nhằm giảm chi phí vận hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, giới hạn của đề tài.  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài. Giới thiệu về vi điều khiển, các cảm biến sử dụng.

Đưa ra cơ sở lý thuyết về Web Server.  Chương 3: Thiết kế và tính toán. Chương này trình bày về phương án thiết kế, tính toán các thông số lựa chọn linh kiện phù hợp. Lưu đồ điều khiển hệ thống, thiết kế giao diện Web.

 Chương 4: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá. Chương này trình bày về kết quả đạt được phần cứng, phần mềm. Từ đó đưa ra nhận xét, đánh giá thực nghiệm.  Chương 5: Kết Luận và Hướng Phát Triển.

Tổng kết các ưu điểm và nhược điểm của đề tài, đưa ra hướng phát triển phù hợp trong tương lai.1 Giới thiệu ESP32 là một hệ thống vi điều khiển trên chip (SoC) giá rẻ của Espressif Systems, nhà phát triển của ESP8266 SoC. Nó là sự kế thừa của SoC ESP8266 và có cả hai biến thể lõi đơn và lõi kép của bộ vi xử lý 32-bit Xtensa LX6 của Tensilica với Wi-Fi và Bluetooth tích hợp.1 Module ESP32 NodeMCU.2 Module ESP32S DevkitC.  Một số thông số cơ bản của Module ESP32: - Hỗ trợ chuẩn không dây 802. - Micro-MCU 32bit tích hợp, tốc độ 160 MHz - 240 MHz, hỗ trợ RTOS, SRAM, Flash.

Hỗ trợ chế độ bảo mật WPA / WPA2. - Hỗ trợ UART, I2C, SPI, I2S, PWM, GPIO, điều khiển từ xa hồng ngoại. - Phạm vi nhiệt độ hoạt động: -40°C ~ 125°C.2 Thông số kỹ thuật của Module ESP32 Tất cả thông số kỹ thuật chi tiết của Module ESP32 được tổng hợp ở các bảng dưới đây: Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của ESP32-WROOM-32 3 i Tên Nội dung Thông số kỹ thuật FCC/CE- Chứng nhận RF RED/IC/TELEC/KCC/SRRC/NCC Chứng nhận Wifi Wi-Fi Alliance Chứng nhận Chứng nhận Bluetooth BQB Chứng nhận năng lượng RoHS/REACH tái tạo Kiểm tra Độ tin cậy ( Độ bền ) HTOL/HTSL/uHAST/TCT/ESD 802.11n up to 150 Chuẩn Mbps) Kỹ thuật ghép kênh A-MPDU và A- MSDU và hỗ trợ giảm khoảng cách Wifi Giao thức giữa các symbol (ký hiệu) từ 4 nano giây xuống còn 3,6 nano giây để tăng tốc độ Dải tần số 2.2 BR/EDR and BLE Giao thức specification Bộ thu NZIF với độ nhạy –97 dBm Bluetooth Class-1, class-2 and class-3 transmitter Sóng vô tuyến AFH Âm thanh Tần số âm thanh CVSD & SBC SD card, UART, SPI, SDIO, I2C, LED PWM, Motor PWM, I 2S, IR, pulse Phần cứng Giao diện Module counter, GPIO, capacitive touch sensor, ADC, DAC, Two-Wire Automotive Interface (TWAI®), 4 i compatible with ISO11898-1 (CAN Specification 2.0) Cảm biến trên chíp Cảm biến Hall Giao động tích hợp 40 MHz crystal SPI 4MB Điện áp hoạt động / 3.6 V Nguồn cấp Dòng điện hoạt động Trung bình: 80 mA Dòng điện chuyển đổi từ 500 mA nguồn cấp tối thiểu Nhiệt độ yêu cầu để hoạt –40 °C ~ +85 °C động (18.10) mm Kích thước × (3.10) mm Mức nhạy với hơi ẩm Cấp 3 (MSL) Bảng 2.2 Thông số các chân của ESP32-WROOM-32 Tên STT Loại Chức năng chân GND 1 P Ground 3V3 2 P Nguồn cấp EN 3 I Tín hiệu cho phép. Mức cao tích cực SENSOR_VP 4 I GPIO36, ADC1_CH0, RTC_GPIO0 SENSOR_VN 5 I GPIO39, ADC1_CH3, RTC_GPIO3 IO34 6 I GPIO34, ADC1_CH6, RTC_GPIO4 IO35 7 I GPIO35, ADC1_CH7, RTC_GPIO5 5 i IO32 8 I/O GPIO32, XTAL_32K_P (32.768 kHz giao động thạch anh đầu vào), ADC1_CH4, TOUCH9, RTC_GPIO9 IO33 9 I/O GPIO33, XTAL_32K_N (32.768 kHz giao động thạch anh đầu ra), ADC1_CH5, TOUCH8, RTC_GPIO8 IO25 10 I/O GPIO25, DAC_1, ADC2_CH8, RTC_GPIO6, EMAC_RXD0 IO26 11 I/O GPIO26, DAC_2, ADC2_CH9, RTC_GPIO7, EMAC_RXD1 IO27 12 I/O GPIO27, ADC2_CH7, TOUCH7, RTC_GPIO17, EMAC_RX_DV IO14 13 I/O GPIO14, ADC2_CH6, TOUCH6, RTC_GPIO16, MTMS, HSPICLK, HS2_CLK, SD_CLK, EMAC_TXD2 IO12 14 I/O GPIO12, ADC2_CH5, TOUCH5, RTC_GPIO15, MTDI, HSPIQ, HS2_DATA2, SD_DATA2, EMAC_TXD3 GND 15 P Ground IO13 16 I/O GPIO13, ADC2_CH4, TOUCH4, RTC_GPIO14, MTCK, HSPID, HS2_DATA3, SD_DATA3, EMAC_RX_ER SHD/SD2* 17 I/O GPIO9, SD_DATA2, SPIHD, HS1_DATA2, U1RXD SWP/SD3* 18 I/O GPIO10, SD_DATA3, SPIWP, HS1_DATA3, U1TXD SCS/CMD* 19 I/O GPIO11, SD_CMD, SPICS0, HS1_CMD, U1RTS 6 i SCK/CLK* 20 I/O GPIO6, SD_CLK, SPICLK, HS1_CLK, U1CTS SDO/SD0* 21 I/O GPIO7, SD_DATA0, SPIQ, HS1_DATA0, U2RTS SDI/SD1* 22 I/O GPIO8, SD_DATA1, SPID, HS1_DATA1, U2CTS IO15 23 I/O GPIO15, ADC2_CH3, TOUCH3, MTDO, HSPICS0, RTC_GPIO13, HS2_CMD, SD_CMD, EMAC_RXD3 IO2 24 I/O GPIO2, ADC2_CH2, TOUCH2, RTC_GPIO12, HSPIWP, HS2_DATA0, SD_DATA0 IO0 25 I/O GPIO0, ADC2_CH1, TOUCH1, RTC_GPIO11, CLK_OUT1, EMAC_TX_CLK IO4 26 I/O GPIO4, ADC2_CH0, TOUCH0, RTC_GPIO10, HSPIHD, HS2_DATA1, SD_DATA1, EMAC_TX_ER IO16 27 I/O GPIO16, HS1_DATA4, U2RXD, EMAC_CLK_OUT IO17 28 I/O GPIO17, HS1_DATA5, U2TXD, EMAC_CLK_OUT_180 IO5 29 I/O GPIO5, VSPICS0, HS1_DATA6, EMAC_RX_CLK IO18 30 I/O GPIO18, VSPICLK, HS1_DATA7 IO19 31 I/O GPIO19, VSPIQ, U0CTS, EMAC_TXD0 NC 32 - - IO21 33 I/O GPIO21, VSPIHD, EMAC_TX_EN 7 i RXD0 34 I/O GPIO3, U0RXD, CLK_OUT2 TXD0 35 I/O GPIO1, U0TXD, CLK_OUT3, EMAC_RXD2 IO22 36 I/O GPIO22, VSPIWP, U0RTS, EMAC_TXD1 IO23 37 I/O GPIO23, VSPID, HS1_STROBE GND 38 P Ground 2.3 Chế độ hoạt động của Module ESP32 Module ESP32 có thể được cấu hình ở năm chế độ năng lượng khác nhau.

Mỗi chế độ có xếp hạng tiêu thụ năng lượng khác nhau. Các chế độ năng lượng của ESP32 là: - Active Mode - Chế độ hoạt động. - Modem Sleep Mode - Chế độ ngủ Modem. - Light Sleep Mode - Chế độ ngủ nhẹ.

- Deep Sleep Mode - Chế độ ngủ sâu. - Hibernation Mode - Chế độ ngủ đông. Mỗi chế độ có các tính năng riêng biệt phụ thuộc vào các thành phần nào có thể hoạt động và khả năng tiết kiệm năng lượng riêng.3 So sánh các chế độ hoạt động của Module ESP32. Chế độ làm việc Modem Light Deep Active Hibernation Hoạt động sleep sleep sleep CPU ON ON PAUSE OFF OFF Bluetooth,Wifi,Radio ON OFF OFF OFF OFF RTC, các ngoại vi ON ON ON ON OFF ULP ON ON ON ON/OFF OFF Dòng tiêu thụ 95-240mA 2-50mA 0,8mA 10-150µA 5µA 8 i Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý Module ESP32.2 CẢM BIẾN KHÍ GAS[9] 2.1 Cảm biến khí Gas Cảm biến khí Gas là một trong những cảm biến quan trọng được sử dụng trong môi trường Gas.

Bình Gas rò rỉ, van gas bị hỏng, ống gas bị thủng do điều kiện tự nhiên,… đều là những nguyên nhân gây ra hỏa hoạn. Không chỉ phát hiện sự rò rỉ cảm biến khí gas còn đo được mật độ rò rỉ nhiều hay ít. Qua đó chúng ta sẽ có các biện pháp cảnh báo và ngăn chặn sự rò rỉ khí Gas kịp thời.2 Module cảm biến khí Gas MQ-2 Theo yêu cầu của đề tài thì đây là hệ thống giám sát và cảnh báo cho tòa nhà nên một cảm biến phát hiện khói bằng nồng độ khí sẽ phù hợp hơn là dùng quang điện. Do đó, nhóm quyết định sử dụng MQ-2 làm cảm biến khí gas cho đề tài của mình.4 Module cảm biến khí Hình 2.1 Ký hiệu của Module cảm Gas MQ-2.

biến khí Gas MQ-2.  Thông số kỹ thuật: - Điện áp hoạt động: 4. - Phạm vi phát hiện: 300 ~ 10000 ppm. - Cảm kháng: 1KΩ ~ 20KΩ / 50ppm.

- Thời gian đáp ứng: ≤ 10s. - Thời gian phục hồi: ≤ 30s. - Trở kháng khi nóng: 31Ω ± 3Ω. - Điện áp ngõ ra: 2.

- Dòng tiêu thụ: ≤ 180 mA. - Năng lượng tiêu thụ khi nóng: ≤ 950 mW.  Sơ đồ chân của Module cảm biến khói MQ-2: 10 i - Chân số 1: VCC. Có chức năng cấp nguồn có cho Module cảm biến.

- Chân số 2: GND. Có chức năng nối đất cho Module cảm biến. - Chân số 3: Digital Out (DO). Có chức năng truyền dữ liệu phản hồi bằng tín hiệu số.

- Chân số 4: Analog Out (AO). Có chức năng truyền dữ liệu phản hồi bằng tín hiệu analog.  Độ nhạy với một số chất khí. - Độ nhạy của Module cảm biến khí gas MQ-2 với một số chất khí được tính bởi công thức Rs/R0, trong đó Rs là điện trở trong các loại khí khác nhau, R0 là điện trở của cảm biến trong 1000ppm khí Hydro.9 trình bày độ nhạy của Module cảm biến khí gas MQ-2 với một số chất khí trong khoảng từ 100 đến 10000ppm.6 Độ nhạy của Module MQ-2 đối với một số loại khí.

 Nguyên lý hoạt động: - Khi nồng độ chất khí càng cao điện áp giá trị đầu ra tại chân A0 của cảm biến càng tăng lên. Tín hiệu tương tự này được trực tiếp xuất ra ở đầu ra và được đưa tới bộ so sánh LM393 để số hoá tín hiệu. Bộ so sánh cùng với một biến trở để điều chỉnh độ nhạy của cảm biến.7 Sơ đồ nguyên lý Module cảm biến khí Gas MQ-2.1 Giới thiệu về Module SIM 800L Những hệ thống được thiết kế xây dựng có khả năng điều khiển từ xa. Tuy nhiên, việc giám sát và gửi nhận dữ liệu thu thập từ các cảm biến gặp khó ở những nơi không có Internet để truy cập vào Web Server, để khắc phục hạn chế đó thì sử dụng tin nhắn điện thoại là giải pháp dễ sử dụng nhất vì không gặp trở ngại về khoảng cách, có độ ổn định cao và chi phí rẻ.

Vì thế nhóm quyết định sử dụng Module SIM 800L cho đề tài. Module SIM800L dùng để điều khiển thiết bị hoặc cảnh báo từ xa thông qua mạng di động như gọi điện, tin nhắn văn bản.8 Chức năng các chân của Module SIM 800L - NET là chân kết nối với Ăng-ten bên ngoài - VCC là chân cấp nguồn cho Module SIM 800L có mức điện áp từ 3.2V - Khe gắn SIM : Micro SIM - RST (Reset) là chân dùng để reset. Nối chân reset xuống mức thấp ở 100ms sẽ reset toàn bộ Module. - RxD (Receiver) Chân dùng để kết nối UART 12 i - TxD (Transmitter) Chân dùng để kết nối UART - GND Chân nối Ground, chúng ta cần nối Ground chung với Arduino.

- RING pin Hoạt động giống như chuông điện thoại. Nó thường dùng để ngắt ngoài (Interrupt) Arduino. Mặc định của nó là mức cao và được kéo xuống mức thấp 120ms khi nhận cuộc gọi. Ngoài ra, bạn có thể điều chỉnh để có thể xuất xung khi nhận tin nhắn SMS.

- DTR pin activates/deactivates chế độ sleep. Đặt chân này ở mức CAO sẽ đưa Module vào trạng thái ngủ, disable giao tiếp UART. Kéo chân xuống mức THẤP sẽ đánh thức hoạt động của Module. - MIC± là 2 kết nối microphone.

- SPK± là 2 kết nối của loa.2 Đặc điểm kỹ thuật của Module SIM 800L Hình 2.10 Ký hiệu Module SIM 800L.  Thông số kỹ thuật: - Nguồn cấp: 3.2 VDC nên dùng nguồn có dòng đủ 1.0 A để mạch hoạt động ổn định - Khe gắn SIM : Micro SIM - Dòng tiêu thụ ở chế độ chờ: 10 mA - Dòng khi hoạt động: 100 mA đến 1 A - Hỗ trợ 4 băng tần phổ biến - Kích thước: 25mm x 22mm  Một số chức năng của Module SIM 800L - Gọi điện thoại, nhận cuộc gọi tới. - Gửi, nhận, đọc hay xóa tin nhắn.