Xây dựng nền tảng IoT quản lý năng lượng cho dãy phòng trọ

Đồ án IoT quản lý năng lượng cho dãy phòng trọ - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

• Tác giả: Phan Thành Thuận
• Người hướng dẫn: ThS. Trương Quang Phúc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hệ thống nhúng và IoT
• Đề tài: Xây dựng nền tảng IoT quản lý năng lượng cho dãy phòng trọ
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nền tảng IoT quản lý năng lượng phòng trọ

Đồ án tốt nghiệp ngành Hệ thống nhúng và IoT tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (ĐH SPKT TPHCM) năm 2025 tập trung xây dựng nền tảng IoT quản lý năng lượng cho dãy phòng trọ. Đề tài do hai sinh viên Phan Thành Thuận (MSSV: 21139056) và Trần Thanh Huy (MSSV: 21139022) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Trương Quang Phúc, Khoa Điện Điện tử, Bộ môn Kỹ thuật Máy tính - Viễn thông.

Hệ thống cho phép giám sát các thông số điện năng theo thời gian thực. Dữ liệu thu thập bao gồm điện áp, dòng điện, công suất, tần số và năng lượng tiêu thụ. Bên cạnh đó, hệ thống còn đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường trong phòng trọ.

Công nghệ LoRa được chọn làm giao thức truyền thông chính. Đặc tính phủ sóng xa và tiêu thụ điện năng thấp giúp LoRa phù hợp với mô hình dãy phòng trọ nhiều tầng. Dữ liệu từ nhiều phòng khác nhau được tổng hợp về một trung tâm quản lý duy nhất mà không cần hạ tầng mạng phức tạp. Mô hình này hướng đến giải pháp quản lý thông minh, chi phí thấp và thân thiện với môi trường, phù hợp với xu hướng đô thị hóa hiện nay.

1.1. Bối cảnh và sự cần thiết của hệ thống IoT quản lý năng lượng

Nhu cầu thuê phòng trọ tại các thành phố lớn như TP. Hồ Chí Minh ngày càng tăng cao. Việc quản lý điện năng theo phương pháp thủ công gây ra nhiều bất cập cho chủ trọ và người thuê. Sai sót trong ghi chỉ số điện, tranh chấp tiền điện và thất thoát năng lượng là những vấn đề phổ biến. Nền tảng IoT ra đời để giải quyết triệt để các vấn đề này. Hệ thống tự động thu thập, xử lý và hiển thị dữ liệu điện năng mà không cần can thiệp thủ công. Điều này giúp minh bạch hóa thông tin tiêu thụ điện giữa các bên liên quan.

1.2. Phạm vi và mục tiêu của đề tài tốt nghiệp ĐH SPKT TPHCM

Đề tài được thực hiện trong khuôn khổ chương trình đào tạo khóa 2021-2025 ngành Hệ thống nhúng và IoT. Mục tiêu cụ thể bao gồm thiết kế phần cứng node cảm biến, xây dựng hệ thống truyền thông LoRa và phát triển phần mềm quản lý trên server. Hệ thống hướng đến khả năng triển khai thực tế tại các dãy phòng trọ với chi phí hợp lý. Kết quả đề tài được đánh giá là phù hợp với mục tiêu đặt ra, đảm bảo độ tin cậy và có khả năng ứng dụng cao trong thực tiễn.

II. Phân tích vấn đề quản lý năng lượng tại dãy phòng trọ

Dãy phòng trọ là mô hình cho thuê nhà phổ biến tại Việt Nam, đặc biệt tại các khu công nghiệp và trường đại học. Tuy nhiên, mô hình quản lý điện năng hiện tại còn nhiều hạn chế nghiêm trọng.

Chủ trọ phải ghi chỉ số công tơ điện thủ công mỗi tháng. Quá trình này tốn thời gian, dễ xảy ra sai sót và thiếu minh bạch. Người thuê không thể theo dõi mức tiêu thụ điện theo thời gian thực, dẫn đến khó kiểm soát chi phí sinh hoạt.

Hệ thống dây điện dùng chung trong dãy phòng trọ gây khó khăn trong việc phân định rõ mức tiêu thụ của từng phòng. Thất thoát điện năng do thiết bị hoạt động không hiệu quả hoặc rò rỉ không được phát hiện kịp thời. Ngoài ra, việc không có cảnh báo về bất thường điện áp hoặc quá tải có thể gây nguy hiểm cho thiết bị điện và người dùng.

Các giải pháp thương mại hiện có thường đòi hỏi chi phí đầu tư cao và hạ tầng mạng phức tạp. Điều này khiến chủ trọ quy mô nhỏ không thể tiếp cận công nghệ quản lý thông minh. Đây chính là khoảng trống mà đề tài của nhóm sinh viên ĐH SPKT TPHCM hướng đến giải quyết.

2.1. Hạn chế của phương pháp quản lý điện năng thủ công

Phương pháp ghi chỉ số công tơ thủ công phụ thuộc hoàn toàn vào con người. Sai số đọc chỉ số, ghi nhầm số phòng hoặc tính toán nhầm đơn giá điện là các lỗi thường gặp. Hệ quả là tranh chấp tiền điện giữa chủ trọ và người thuê xảy ra thường xuyên. Ngoài ra, dữ liệu tiêu thụ điện không được lưu trữ có hệ thống, gây khó khăn cho việc phân tích xu hướng và tối ưu hóa chi phí. Thiếu dữ liệu lịch sử cũng khiến chủ trọ không thể phát hiện các phòng tiêu thụ điện bất thường.

2.2. Thách thức kỹ thuật trong triển khai IoT tại dãy phòng trọ

Dãy phòng trọ có đặc thù là nhiều phòng nằm rải rác, tường bê tông dày và cấu trúc nhiều tầng. Wi-Fi truyền thống gặp vấn đề về vùng phủ sóng và nhiễu tín hiệu trong môi trường này. Mạng di động 4G/5G đòi hỏi chi phí thuê bao hàng tháng, không phù hợp với quy mô nhỏ. Nguồn điện cấp cho các thiết bị IoT cần ổn định và an toàn. Những thách thức này đòi hỏi giải pháp truyền thông chuyên biệt với khả năng xuyên tường tốt, tiêu thụ điện thấp và chi phí triển khai hợp lý.

III. Giải pháp IoT LoRa và kiến trúc hệ thống quản lý năng lượng

Nhóm nghiên cứu đề xuất kiến trúc hệ thống IoT ba lớp: lớp cảm biến (node), lớp truyền thông (LoRa gateway) và lớp quản lý (server). Mỗi phòng trọ được trang bị một node cảm biến độc lập, thu thập dữ liệu điện năng và môi trường.

Công nghệ LoRa được lựa chọn làm giao thức truyền thông chính nhờ các ưu điểm vượt trội. Phạm vi truyền xa, tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng xuyên tường tốt phù hợp hoàn toàn với đặc thù dãy phòng trọ. Dữ liệu từ tất cả các node được gửi về gateway trung tâm, sau đó chuyển lên server xử lý.

Phần cứng node cảm biến sử dụng module PZEM-004T để đo các thông số điện: điện áp (80-260 VAC), dòng điện (0-100A), công suất (0-26000W), tần số (45-65Hz) và năng lượng tiêu thụ. Cảm biến DHT22 đảm nhận đo nhiệt độ (-40°C đến 80°C) và độ ẩm với độ chính xác cao. Adapter 5V 3A được chọn để cấp nguồn ổn định cho phía server, đảm bảo hoạt động liên tục và tránh thiệt hại do dao động điện áp.

Giao diện phần mềm cho phép chủ trọ theo dõi toàn bộ dãy phòng từ một màn hình quản lý duy nhất, nhận cảnh báo bất thường và xuất báo cáo tiêu thụ điện theo tháng.

3.1. Công nghệ LoRa và lý do lựa chọn cho hệ thống quản lý phòng trọ

LoRa (Long Range) là công nghệ truyền thông không dây sử dụng phương pháp điều chế trải phổ. Đặc điểm nổi bật gồm phạm vi phủ sóng rộng mà không cần công suất phát lớn, tiêu thụ điện năng cực thấp phù hợp với thiết bị IoT hoạt động lâu dài. Công nghệ này đã được triển khai thành công trong nhiều lĩnh vực như đô thị thông minh, nhà thông minh, nông nghiệp và logistics. Đối với dãy phòng trọ, LoRa cho phép một gateway duy nhất phục vụ nhiều phòng mà không cần hạ tầng mạng riêng cho từng phòng, giảm đáng kể chi phí đầu tư ban đầu.

3.2. Lựa chọn cảm biến PZEM 004T và DHT22 cho node đo lường

PZEM-004T được lựa chọn thay vì ZMPT101B nhờ khả năng đo đầy đủ các thông số điện năng qua giao tiếp UART. Trong khi đó, ZMPT101B chỉ đo điện áp và không có chức năng đo dòng điện hay năng lượng. DHT22 được ưu tiên hơn DHT11 do dải đo nhiệt độ rộng hơn (-40°C đến 80°C so với 0-50°C) và độ chính xác cao hơn. Sự kết hợp PZEM-004T và DHT22 đảm bảo node cảm biến thu thập đầy đủ dữ liệu cần thiết để đánh giá toàn diện tình trạng sử dụng điện năng và môi trường từng phòng trọ.

IV. Kết luận và triển vọng ứng dụng nền tảng IoT phòng trọ

Đề tài xây dựng nền tảng IoT quản lý năng lượng dãy phòng trọ của nhóm sinh viên ĐH SPKT TPHCM đã hoàn thành đúng mục tiêu đề ra. Hệ thống thực sự giải quyết được bài toán quản lý điện năng minh bạch, chính xác và tự động tại các dãy phòng trọ quy mô vừa và nhỏ.

Kết quả được đánh giá là phù hợp với mục tiêu đề tài, đảm bảo độ tin cậy và có tính sáng tạo cao. Phương pháp thực hiện hợp lý, dựa trên cơ sở lý thuyết vững chắc và có phân tích đánh giá phù hợp. Giảng viên hướng dẫn ThS. Trương Quang Phúc đánh giá đề tài có tính mới, tính cấp thiết và khả năng ứng dụng thực tiễn tốt.

Hệ thống có thể mở rộng để tích hợp thêm tính năng điều khiển từ xa, cắt điện tự động khi phát hiện bất thường hoặc kết hợp với hệ thống thanh toán điện tử. Trong tương lai, mô hình có thể được nhân rộng cho các tòa nhà văn phòng, ký túc xá và khu công nghiệp. Đây là minh chứng cho tiềm năng ứng dụng IoT trong việc số hóa quản lý bất động sản cho thuê tại Việt Nam, góp phần tiết kiệm năng lượng và hướng đến phát triển bền vững.

4.1. Đánh giá hiệu quả và đóng góp học thuật của đề tài

Đề tài đóng góp một mô hình tham khảo hoàn chỉnh cho các nghiên cứu tiếp theo về IoT quản lý năng lượng tại Việt Nam. Phương pháp lựa chọn linh kiện có phân tích so sánh thông số kỹ thuật cụ thể, giúp các nhóm nghiên cứu sau có cơ sở tham chiếu rõ ràng. Kiến trúc ba lớp node-gateway-server có thể tái sử dụng cho nhiều ứng dụng IoT khác nhau. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi của việc triển khai LoRa trong môi trường đô thị với mật độ phòng trọ cao, mở ra hướng nghiên cứu mới cho cộng đồng học thuật trong nước.

4.2. Định hướng phát triển và mở rộng hệ thống trong tương lai

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự đoán mức tiêu thụ điện và đưa ra khuyến nghị tiết kiệm năng lượng. Hệ thống có thể kết hợp với ứng dụng di động để chủ trọ và người thuê dễ dàng truy cập thông tin từ xa. Việc bổ sung chức năng thanh toán điện tử tự động dựa trên dữ liệu đo lường thực tế sẽ tăng đáng kể giá trị thực tiễn. Ngoài ra, mở rộng giao thức hỗ trợ thêm Zigbee hoặc NB-IoT sẽ giúp hệ thống linh hoạt hơn trong các môi trường triển khai khác nhau.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lượng điện năng tiêu thụ tại các khu vực cho thuê phòng trọ hiện nay đang có xu hướng tăng mạnh, đặc biệt vào những giai đoạn thời tiết nắng nóng. Thực tế này khiến cho công tác quản lý, giám sát và kiểm soát lượng điện tiêu thụ trở thành một vấn đề cấp bách đối với cả người thuê lẫn chủ nhà trọ. Tại các khu nhà trọ truyền thống, các thiết bị điện thường xuyên vận hành liên tục nhưng thiếu sự theo dõi chặt chẽ và tập trung. Tình trạng này không chỉ làm gia tăng chi phí sử dụng điện sinh hoạt hàng tháng mà còn tiềm ẩn nhiều rủi ro về an toàn điện như hiện tượng quá tải, đoản mạch hoặc hỏa hoạn, cháy nổ. Nhằm giải quyết các bất cập trên, đề tài "Xây dựng nền tảng IoT quản lý năng lượng cho dãy phòng trọ" đã được thực hiện để cung cấp một hệ thống đồng bộ, phục vụ việc giám sát các thông số điện năng và môi trường theo thời gian thực, đồng thời hỗ trợ điều khiển phụ tải từ xa.

Mục tiêu cụ thể và các nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

1. Xây dựng và triển khai một nền tảng IoT hoàn chỉnh gồm cả phần cứng và phần mềm để quản lý năng lượng điện tiêu thụ tại các phòng trọ, cung cấp tính năng theo dõi liên tục cùng báo cáo định kỳ cho ban quản lý.
2. Thiết kế và chế tạo các thiết bị phần cứng IoT chuyên dụng (các node), tích hợp cảm biến đo lường chính xác các chỉ số điện năng theo thời gian thực (dòng điện, điện áp, công suất tiêu thụ, năng lượng) và cảm biến môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí).
3. Tích hợp cơ cấu chấp hành (relay) cho phép đóng/ngắt các thiết bị điện từ xa thông qua lệnh điều khiển.
4. Xây dựng hệ thống máy chủ cơ sở dữ liệu và các giao diện lập trình ứng dụng (API) trên máy tính nhúng để tiếp nhận, lưu trữ và xử lý dữ liệu năng lượng.
5. Phát triển các giao diện tương tác người dùng gồm website quản lý và ứng dụng di động, hỗ trợ hiển thị biểu đồ trực quan hóa dữ liệu và điều khiển thiết bị tiện lợi.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống đo lường, giám sát và quản lý năng lượng điện áp dụng công nghệ IoT; vi điều khiển 32-bit STM32F103C8T6; máy tính nhúng đơn bo Raspberry Pi 4; các module cảm biến chuyên dụng (PZEM-004T, DHT22); công nghệ truyền thông không dây tầm xa LoRa SX1278; cùng các công nghệ phần mềm liên quan (Node-RED, ReactJS, Flutter/Dart, MySQL, Apache).

Phạm vi nghiên cứu được xác định:

• Phạm vi không gian: Mô hình dãy phòng trọ thực nghiệm, bao gồm 02 node phần cứng giám sát phụ tải đặt tại hai phòng trọ và 01 trạm máy chủ trung tâm (server gateway).
• Phạm vi kỹ thuật: Hệ thống đo lường dòng điện xoay chiều (AC) điện áp dân dụng từ 80V đến 260V, tần số 45–65Hz; thu thập thông số nhiệt độ, độ ẩm môi trường; truyền thông vô tuyến trong dải tần số 410–441MHz; quản lý dữ liệu qua mạng cục bộ và giao diện web/app.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên cấu trúc mạng vạn vật kết nối (IoT) ứng dụng trong quản lý năng lượng (Internet of Energy). Hệ thống vận dụng các nền tảng kỹ thuật và giao thức sau:

• Chuẩn truyền thông có dây UART và One-Wire: UART được sử dụng cho kết nối truyền dữ liệu nối tiếp, bất đồng bộ, điểm-điểm giữa vi điều khiển và module cảm biến điện năng PZEM-004T, cũng như với module LoRa; One-Wire được sử dụng để đọc dữ liệu cảm biến DHT22 chỉ qua một đường dây tín hiệu số duy nhất với các chu trình chuẩn (Reset, Write 1, Write 0, Read).
• Công nghệ vô tuyến tầm xa LoRa (Long Range): Kỹ thuật điều chế trải phổ chirp (CSS) hoạt động ở băng tần 410–441 MHz, công suất phát 20 dBm, cho phép truyền nhận dữ liệu tầm xa lên đến 3000m với mức tiêu thụ năng lượng thấp.
• Nền tảng phần cứng: Vi điều khiển STM32F103C8T6 (kiến trúc ARM Cortex-M3 32-bit, xung nhịp 72 MHz) đóng vai trò xử lý tại các node đầu cuối; máy tính nhúng Raspberry Pi 4 (CPU Broadcom BCM2711 Quad-core ARM Cortex-A72 1.5GHz, 4GB LPDDR4) đảm nhiệm vai trò máy chủ và cổng thu thập trung tâm.
• Giao thức mạng và công nghệ phần mềm: Giao thức HTTP (mô hình Request-Response) phục vụ trao đổi dữ liệu cho ứng dụng web viết bằng ReactJS; giao thức WebSocket (kênh truyền hai chiều full-duplex duy trì qua một kết nối TCP duy nhất sau bắt tay nâng cấp mã 101 Switching Protocols) kết hợp môi trường lập trình luồng Node-RED phục vụ ứng dụng di động viết bằng Flutter và ngôn ngữ Dart 3.8; hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL và webserver Apache viết bằng PHP.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm bốn phương pháp chính:

• Phương pháp thu thập dữ liệu: Khảo sát, chọn lọc tài liệu kỹ thuật về các chuẩn truyền thông (UART, One-Wire, LoRa), giao thức truyền tải (HTTP, WebSocket), kiến trúc máy tính nhúng Raspberry Pi, vi điều khiển STM32 và tài liệu của các linh kiện bán dẫn liên quan.
• Phương pháp phân tích dữ liệu: Tính toán, đánh giá các thông số vận hành điện áp và dòng điện tiêu thụ của phần cứng; phân tích dữ liệu cảm biến thu về để đối chiếu độ tin cậy với các tài liệu kỹ thuật và các công trình nghiên cứu đi trước.
• Phương pháp thiết kế: Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý mạch điện tử phần cứng cho trạm server và các node cảm biến; phân tích lựa chọn linh kiện theo tiêu chí kỹ thuật; xây dựng kiến trúc cơ sở dữ liệu quan hệ và lưu đồ thuật toán điều khiển.
• Phương pháp phát triển và kiểm nghiệm: Lập trình phần mềm nhúng bằng C/C++, xây dựng giao diện frontend website (ReactJS) và ứng dụng di động (Flutter), thiết lập các luồng điều phối trên Node-RED và tiến hành kiểm thử thực nghiệm trên mô hình 2 phòng trọ thực tế.

Nguồn dữ liệu trong nghiên cứu bao gồm: dữ liệu thực nghiệm đo đạc theo thời gian thực từ cảm biến PZEM-004T (điện áp, dòng điện, công suất, năng lượng, tần số), cảm biến DHT22 (nhiệt độ, độ ẩm); cùng các tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất (datasheet STMicroelectronics, Semtech, Raspberry Pi Foundation, EBYTE).

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc 3 khối chính: Khối Node (phần cứng thu thập tại phòng), Khối Server (trung tâm xử lý và lưu trữ dữ liệu), và Khối Client (giao diện người dùng web và app).

Khối hệ thống	Thành phần chính	Vai trò kỹ thuật
Khối Node	STM32F103C8T6, PZEM-004T, DHT22, LoRa E32-433T20D, Relay SRD-5VDC-SL-C, Adapter 5V 1A	Đo đạc thông số điện và môi trường, đóng ngắt phụ tải, gửi/nhận gói tin vô tuyến với Server qua LoRa.
Khối Server	Raspberry Pi 4 (4GB RAM), LoRa E32-433T20D, Adapter 5V 3A, Quạt làm mát 5V	Thu thập dữ liệu từ các Node qua LoRa, lưu trữ vào MySQL, chạy Webserver Apache/PHP, điều phối dữ liệu qua Node-RED và cổng WebSocket.
Khối Client	Website ReactJS, Ứng dụng di động Flutter/Dart	Truy xuất dữ liệu hiển thị bảng số liệu và biểu đồ; phát lệnh điều khiển bật/tắt thiết bị tới Server.

Lựa chọn và thông số linh kiện phần cứng

Trong quá trình thiết kế, các cảm biến được lựa chọn thông qua đối chiếu thông số kỹ thuật chi tiết:

Thông số so sánh	Module PZEM-004T	Cảm biến ZMPT101B	Cảm biến DHT22	Cảm biến DHT11
Dải điện áp đo	80 ~ 260 VAC	0 ~ 1000V	3.3 ~ 6 VDC (nguồn)	3 ~ 5 VDC (nguồn)
Dải dòng điện đo	0 ~ 100 A	Không hỗ trợ	—	—
Công suất đo	0 ~ 26000 W	Không hỗ trợ	—	—
Năng lượng tiêu thụ	0 ~ 23 kW	Không hỗ trợ	—	—
Tần số lưới điện	45 ~ 65 Hz	Không hỗ trợ	—	—
Dải đo nhiệt độ	—	—	-40°C ~ 80°C (±0.5°C)	0°C ~ 50°C (±2°C)
Dải đo độ ẩm	—	—	0 ~ 100% RH (±2% RH)	20 ~ 90% RH (±5% RH)
Chuẩn giao tiếp	UART	ADC	One-Wire (Single-bus)	One-Wire (Single-bus)

Module PZEM-004T được chọn nhờ tích hợp biến dòng biến áp (CT) cách ly an toàn khi đo dòng điện tải lên tới 100A, độ chính xác phép đo đạt 0.5%, giao tiếp nối tiếp UART với STM32. Cảm biến DHT22 vượt trội hơn DHT11 ở dải đo rộng và sai số nhiệt độ nhỏ (< ±0.5°C), chu kỳ lấy mẫu 2 giây.

Module truyền thông vô tuyến sử dụng loại EBYTE E32-433T20D dựa trên vi mạch Semtech SX1278, dải điện áp 2.5V, giao tiếp UART, công suất phát 20 dBm, cự ly truyền lý thuyết đạt 3000m. Relay SRD-5VDC-SL-C hoạt động ở điện áp 5VDC, tiếp điểm SPDT chịu tải dòng chuyển mạch lên đến 10A, được điều khiển kích đóng/ngắt trực tiếp từ chân GPIO của vi điều khiển thông qua mạch cách ly.

Đối với khối nguồn: Phía Server tính toán tải gồm bo mạch Raspberry Pi 4 (5V - 2.11A) và quạt tản nhiệt (5V - 0.2A), tổng dòng tiêu thụ là 2.81A; nhóm nghiên cứu sử dụng adapter 5V 3A để cấp nguồn vận hành 24/7 ổn định. Phía Node sử dụng adapter 5V 1A cung cấp cho STM32, các cảm biến và mạch kích relay.

Thiết kế phần mềm và cấu trúc luồng dữ liệu

Phần mềm hệ thống được tổ chức qua các thuật toán điều phối:

• Tại Node (STM32): Bộ vi điều khiển thực hiện khởi tạo ngoại vi, thiết lập ngắt UART cho LoRa và cảm biến PZEM-004T. Định kỳ vi điều khiển đọc giá trị từ DHT22 qua giao thức One-Wire và truy vấn các thanh ghi PZEM-004T qua UART, sau đó đóng gói khung dữ liệu gửi về Server qua module LoRa. Khi có tín hiệu ngắt nhận lệnh điều khiển từ Server, chương trình ngắt UART giải mã gói tin và thay đổi mức logic trên chân điều khiển relay.
• Tại Server (Raspberry Pi 4): Luồng chương trình trên server chạy trạng thái chờ gói tin từ cổng nối tiếp (kết nối với LoRa E32-433T20D qua chân GPIO 14-RX và GPIO 15-TX). Khi nhận gói tin từ các node phòng trọ, server kiểm tra tính toàn vẹn, tách dữ liệu và thực thi câu lệnh ghi vào cơ sở dữ liệu MySQL. Đồng thời, Node-RED lắng nghe các thay đổi trong cơ sở dữ liệu và biến động cổng serial để đẩy dữ liệu tức thời qua kênh WebSocket. Khi nhận yêu cầu điều khiển từ giao diện người dùng, server đóng gói lệnh tương ứng và phát vô tuyến tới node mục tiêu.
• Tại Client: Website ReactJS gửi các HTTP GET/POST request đến webserver Apache để truy vấn lịch sử tiêu thụ và gửi lệnh điều khiển. Ứng dụng di động Flutter duy trì kênh WebSocket liên tục tới máy chủ, cập nhật trạng thái điện áp, dòng điện, nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian thực mà không cần tải lại giao diện.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc kiểm soát năng lượng tại các khu phòng trọ, làm rõ nguyên nhân gây lãng phí chi phí và nguy cơ mất an toàn do vận hành thiết bị thiếu kiểm soát. Tác giả xác định mục tiêu là xây dựng một nền tảng IoT hoàn chỉnh từ thiết bị đo tại phòng tới máy chủ và ứng dụng giám sát. Tình hình nghiên cứu được khảo cứu trên hai bình diện:

• Trong nước: Phân tích đề tài giám sát năng lượng sử dụng module PZEM-004T kết nối qua nền tảng Blynk; đề tài nghiên cứu hệ thống quản lý năng lượng nhà thông minh tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội nhằm tối ưu hóa kịch bản tiêu thụ điện.
• Nước ngoài: Khảo cứu hệ thống iPlug dùng ổ cắm thông minh đo dòng, áp và điều khiển từ xa; hệ thống giám sát năng lượng tích hợp đám mây trên nền tảng Blynk 2.0 có pin dự phòng và quản lý sạc xe điện. Chương này cũng xác định 4 phương pháp nghiên cứu chính và cấu trúc 5 chương của đồ án tốt nghiệp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết chi tiết về công nghệ IoT trong quản lý năng lượng, bao gồm giám sát thời gian thực, tối ưu hóa tiêu thụ và dự đoán sự cố. Các chuẩn giao tiếp và phần cứng cốt lõi được phân tích sâu:

• Giao thức có dây: Cấu trúc khung truyền UART (Start bit, 5-9 bit dữ liệu, Parity bit, 1-2 Stop bit; các chế độ Simplex, Half-duplex, Full-duplex) và nguyên lý 4 trạng thái của One-Wire (Reset, Write 1, Write 0, Read).
• Công nghệ LoRa: Nguyên lý điều chế CSS, hoạt động ở dải tần 410–441 MHz, khả năng kết nối hàng ngàn nút về một gateway.
• Thiết bị xử lý: Bảng thông số vi điều khiển STM32F103C8T6 (ARM Cortex-M3, 72 MHz, 37 chân I/O, ADC 10-bit) và máy tính nhúng Raspberry Pi 4 (Broadcom 64-bit 1.5 GHz, RAM 4GB, cổng USB 3.0, Gigabit Ethernet, kết nối GPIO 40 chân).
• Giao thức mạng và công cụ phần mềm: Mô hình HTTP (cấu trúc HTTP Request, HTTP Response, các phương thức GET, POST, PUT, DELETE); thư viện ReactJS với cơ chế Virtual DOM; bộ công cụ Flutter và ngôn ngữ lập trình Dart 3.8; nguyên lý bắt tay và truyền nhận hai chiều full-duplex của WebSocket; công cụ lập trình luồng trực quan Node-RED.
• Linh kiện đo lường và chấp hành: Thông số kỹ thuật chi tiết của module DHT22, PZEM-004T (dải điện áp 80–260V, dòng 0–100A, độ chính xác 0.5%), module LoRa E32-433T20D (IC SX1278, cự ly 3000m) và relay SRD-5VDC-SL-C (tải 10A).

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày các yêu cầu thiết kế hệ thống và mô hình phân tầng ba khối (Client - Server - Node). Nội dung chương đi sâu vào thiết kế chi tiết từng khối:

• Thiết kế phần cứng Server: Khối xử lý trung tâm dùng Raspberry Pi 4, khối giao tiếp dùng module LoRa E32-433T20D kết nối qua chân GPIO 14 (RX) và GPIO 15 (TX), khối nguồn được tính toán dòng tiêu thụ 2.81A và sử dụng adapter 5V 3A.
• Thiết kế phần cứng Node: Thiết kế sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển STM32F103C8T6 ghép nối với khối cảm biến (PZEM-004T đo điện năng qua UART, DHT22 đo môi trường qua One-Wire), khối cơ cấu chấp hành (relay kích tải) và module LoRa vô tuyến; khối nguồn sử dụng adapter 5V 1A.
• Lưu đồ giải thuật: Xây dựng các lưu đồ giải thuật cho website (hiển thị, điều khiển, cập nhật trạng thái); ứng dụng di động (kết nối WebSocket, khởi tạo màn hình chi tiết, hiển thị thông số và điều khiển); thuật toán phía Node (ngắt UART, đọc DHT22, đọc PZEM-004T, đóng gói dữ liệu); thuật toán phía Server (trạng thái chờ, nhận gói tin Node, ghi cơ sở dữ liệu, xử lý ngắt tín hiệu điều khiển và phát ngược lại Node qua LoRa).
• Thiết kế cơ sở dữ liệu: Xây dựng cấu trúc các bảng lưu trữ thông số năng lượng, bảng nhật ký điều khiển, và luồng điều phối dữ liệu trực quan bằng Node-RED.

Chương 4: Kết quả

Chương 4 công bố các kết quả thực nghiệm hoàn chỉnh của đồ án sau khi thi công và tích hợp:

• Kết quả phần cứng: Hoàn thiện mô hình tổng thể hệ thống, mạch phần cứng server Raspberry Pi 4 hoạt động ổn định; phần cứng Node 1 và Node 2 vận hành thực tế tại phòng trọ, thu thập dữ liệu đo và thực hiện đóng ngắt relay chính xác theo tải nối ngoài.
• Kết quả phần mềm Website: Triển khai giao diện website ReactJS hiển thị bảng giám sát thời gian thực các thông số cảm biến (điện áp, dòng điện, công suất, năng lượng, nhiệt độ, độ ẩm); các biểu đồ dạng đường theo dõi diễn biến phụ tải; các biểu đồ cột và tròn phân tích sản lượng điện tiêu thụ; danh sách dữ liệu lịch sử và giao diện điều khiển bật/tắt thiết bị.
• Kết quả phần mềm Ứng dụng di động: Triển khai ứng dụng Flutter hoàn chỉnh với giao diện Dashboard đa chế độ (chế độ sáng/tối), màn hình chi tiết cho từng phòng, biểu đồ trực quan hóa số liệu tức thời, giao diện điều khiển rơ-le tức thời qua WebSocket, cùng các màn hình cấu hình địa chỉ IP máy chủ và thông tin hệ thống.
• Đánh giá hệ thống: Đánh giá độ ổn định của liên kết vô tuyến LoRa giữa các tầng/phòng, tính toàn vẹn của dữ liệu lưu trữ MySQL và độ nhạy của các giao diện điều khiển.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tóm lược toàn bộ kết quả thực hiện so với các mục tiêu ban đầu, xác nhận hệ thống đã vận hành thành công cả về phần cứng, phần mềm và đường truyền vô tuyến, đồng thời đưa ra các đề xuất cải tiến và hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Hệ thống đã thu thập và xử lý các thông số vận hành thực tế đạt độ tin cậy kỹ thuật theo đúng cấu hình phần cứng:

• Về đo lường điện năng: Ghi nhận chính xác các đại lượng điện áp (dải 80 ~ 260 V, độ phân giải 0.1 V), dòng điện (dải 0 ~ 100 A, độ phân giải 0.01 A), công suất tức thời (dải 0 ~ 26000 W), điện năng lũy kế (dải 0 ~ 23 kW) và tần số lưới (45 ~ 65 Hz) thông qua module PZEM-004T với sai số phép đo là 0.5%.
• Về đo lường môi trường: Thu thập liên tục nhiệt độ (dải -40 ~ 80°C, sai số < ±0.5°C) và độ ẩm không khí (dải 0 ~ 100% RH, sai số ±2% RH) thông qua cảm biến DHT22 với chu kỳ đọc 2 giây/lần.
• Về liên kết vô tuyến: Module LoRa E32-433T20D thiết lập liên lạc thành công giữa trạm chủ Raspberry Pi 4 và 02 node STM32 ở băng tần 410–441 MHz, công suất phát 20 dBm, đảm bảo truyền tải dữ liệu liên tục xuyên qua các kết cấu tường phòng trọ.
• Về phần mềm và giao diện: Vận hành đồng thời webserver Apache/PHP, hệ quản trị MySQL và luồng Node-RED trên Raspberry Pi 4 (tiêu thụ nguồn điện tính toán 2.81A từ adapter 5V 3A); giao diện website ReactJS cung cấp bảng số liệu và các biểu đồ đường/cột/tròn; ứng dụng di động Flutter kết nối qua WebSocket cung cấp chế độ sáng/tối và khả năng đóng/ngắt relay 10A tức thời.

Đóng góp của đồ án:

• Ứng dụng công nghệ vô tuyến tầm xa LoRa thay thế cho kết nối Wi-Fi thông thường trong mô hình phòng trọ, loại bỏ sự phụ thuộc vào hạ tầng mạng Internet không dây tại từng phòng, giảm hiện tượng suy hao và ngắt kết nối do vật cản tường gạch.
• Xây dựng kiến trúc gateway tích hợp máy chủ cục bộ hoàn chỉnh trên máy tính nhúng Raspberry Pi 4, cho phép hệ thống tự vận hành thu thập, phân tích và lưu trữ cơ sở dữ liệu nội bộ độc lập mà không bắt buộc phải thuê máy chủ đám mây thương mại từ bên thứ ba.
• Kết hợp song song hai nền tảng giao diện người dùng (ReactJS trên Web và Flutter trên Di động) tương tác đồng bộ qua hai giao thức mạng HTTP và WebSocket, tối ưu hóa trải nghiệm giám sát và điều khiển cho cả người thuê trọ và người quản lý.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Quy mô thử nghiệm thực tế của đề tài mới dừng lại ở mô hình gồm 02 node cảm biến và 01 trạm máy chủ, chưa đánh giá thực nghiệm khi số lượng node tăng lên mật độ lớn trên cùng một kênh truyền LoRa.
• Máy chủ hệ thống hiện được triển khai trên máy tính nhúng cục bộ tại khu trọ, việc truy cập từ xa ngoài phạm vi mạng nội bộ (mạng LAN) vẫn phụ thuộc vào địa chỉ IP nội bộ hoặc cấu hình tên miền cục bộ (raspberrypi.local).
• Đề tài mới dừng lại ở việc thu thập và trực quan hóa dữ liệu điện năng, chưa tích hợp sâu các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) để phân tích dự báo hành vi tiêu thụ điện hoặc tự động phát hiện hư hỏng đường dây như định hướng lý thuyết ban đầu.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Mở rộng quy mô thử nghiệm với số lượng node lớn phủ kín toàn bộ các phòng trong khu trọ nhiều tầng, nghiên cứu thuật toán tránh xung đột gói tin (collision avoidance) trên mạng LoRa.
• Phát triển hạ tầng máy chủ đám mây (Cloud Server) kết hợp các giao thức IoT bảo mật để hỗ trợ chủ trọ quản lý đồng thời nhiều dãy phòng trọ khác nhau ở các vị trí địa lý phân tán.
• Triển khai các mô hình học máy (Machine Learning / TinyML) nhằm phân tích chuyên sâu dữ liệu phụ tải theo chuỗi thời gian, tự động cảnh báo các nguy cơ chập cháy điện sớm và gợi ý các kịch bản sử dụng điện tối ưu chi phí.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành: Hệ thống nhúng và IoT, Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa khi thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc các dự án nghiên cứu về giám sát năng lượng thông minh.

Các nội dung có giá trị tham khảo cụ thể:

• Sơ đồ phối ghép phần cứng chi tiết giữa vi điều khiển 32-bit STM32F103C8T6 với cảm biến điện năng AC PZEM-004T qua UART, cảm biến môi trường DHT22 qua One-Wire và module vô tuyến LoRa SX1278.
• Phương pháp tính toán công suất tiêu thụ và thiết kế khối nguồn cấp dòng cao (5V 3A) cho máy tính nhúng Raspberry Pi 4 khi vận hành liên tục làm IoT Gateway.
• Mô hình tích hợp phần mềm trung gian sử dụng công cụ Node-RED để cầu nối luồng dữ liệu giữa phần cứng nối tiếp, cơ sở dữ liệu MySQL và giao thức mạng WebSocket phục vụ ứng dụng Flutter trên thiết bị di động.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lựa chọn công nghệ truyền thông LoRa thay vì sử dụng mạng Wi-Fi có sẵn tại khu trọ?
Công nghệ LoRa (module EBYTE E32-433T20D sử dụng chip Semtech SX1278) hoạt động trên dải tần 410–441 MHz có khả năng xuyên tường, tầm phủ sóng lý thuyết lên đến 3000m và mức tiêu thụ điện năng thấp. Việc dùng LoRa giúp hệ thống vận hành độc lập, không phụ thuộc vào hạ tầng mạng Wi-Fi chập chờn của từng phòng trọ, tránh hiện tượng rớt kết nối khi có nhiều vật cản tường gạch và đơn giản hóa việc mở rộng node.

2. Module cảm biến PZEM-004T đo lường được những đại lượng điện nào và thông số kỹ thuật ra sao?
Module PZEM-004T sử dụng biến dòng CT đo lường gián tiếp an toàn cho dòng điện xoay chiều, đo được các thông số: điện áp (80 ~ 260 VAC, độ phân giải 0.1 V), dòng điện (0 ~ 100 A, độ phân giải 0.01 A), công suất (0 ~ 26000 W), năng lượng tiêu thụ (0 ~ 23 kW), tần số lưới (45 ~ 65 Hz) với độ chính xác phép đo đạt 0.5%, truyền dữ liệu về STM32 qua giao tiếp UART.

3. Kiến trúc phần mềm phân chia vai trò của giao thức HTTP và WebSocket như thế nào?
Hệ thống sử dụng giao thức HTTP cho ứng dụng Website ReactJS để gửi các yêu cầu truy vấn dữ liệu lịch sử và lệnh điều khiển tới Webserver Apache/PHP trên máy chủ. Trong khi đó, ứng dụng di động Flutter sử dụng giao thức WebSocket thông qua Node-RED nhằm thiết lập kênh kết nối hai chiều full-duplex liên tục, giúp cập nhật tức thời các thông số điện năng và điều khiển rơ-le với độ trễ thấp mà không cần thực hiện polling liên tục.

4. Khối nguồn cấp cho máy chủ Raspberry Pi 4 được tính toán dựa trên cơ sở kỹ thuật nào?
Theo bảng thống kê dòng tiêu thụ tại Chương 3, bo mạch Raspberry Pi 4 hoạt động liên tục tiêu thụ dòng điện 2.11A (ở mức áp 5V) và quạt tản nhiệt tiêu thụ dòng điện 0.2A (ở mức áp 5V), dẫn tới tổng dòng tiêu thụ là 2.81A. Do đó, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn bộ adapter chuyển đổi nguồn DC công suất 5V 3A để đảm bảo nguồn điện dự phòng ổn định, tránh sụt áp gây gián đoạn hệ thống.

5. Cơ chế điều khiển thiết bị điện từ xa được thực hiện qua các bước nào?
Người dùng phát lệnh bật hoặc tắt thiết bị trên giao diện Website (qua HTTP) hoặc ứng dụng Di động (qua WebSocket) tới máy chủ Raspberry Pi 4. Tại máy chủ, luồng điều khiển đóng gói lệnh và gửi dữ liệu qua module LoRa vô tuyến. Module LoRa tại node phòng trọ nhận tín hiệu, kích hoạt ngắt UART trên vi điều khiển STM32F103C8T6 để xuất tín hiệu mức logic tương ứng kích hoạt rơ-le SRD-5VDC-SL-C (chịu tải 10A) đóng hoặc ngắt nguồn của tải điện.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Xây dựng nền tảng IoT quản lý năng lượng cho dãy phòng trọ" của tác giả Phan Thành Thuận và Trần Thanh Huy đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công một hệ thống IoT toàn diện từ phần cứng đến phần mềm. Nền tảng kết hợp tối ưu giữa vi điều khiển STM32F103C8T6, các cảm biến chuyên dụng (PZEM-004T, DHT22) và công nghệ truyền thông không dây LoRa SX1278 với trạm xử lý trung tâm Raspberry Pi 4. Hệ thống đáp ứng chính xác các yêu cầu đặt ra về đo lường thông số điện năng thời gian thực, giám sát nhiệt độ - độ ẩm môi trường, lưu trữ cơ sở dữ liệu tập trung và hỗ trợ điều khiển phụ tải từ xa qua website ReactJS cùng ứng dụng di động Flutter. Đây là giải pháp kỹ thuật mang tính ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp một mô hình mẫu hiệu quả cho công tác chuyển đổi số và quản lý năng lượng minh bạch tại các khu nhà trọ hiện nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. Giới thiệu chung về lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu, nội dung thực hiện, tình hình nghiên cứu và phương pháp. ➢ Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Trình bày các lý thuyết có liên quan đến đề tài như nền tảng IoT, chuẩn truyền thông UART, One-wire, giao thức HTTP, websocket, các framework hỗ trợ lập trình và các linh kiện phần cứng sử dụng.

➢ Chương 3: Thiết kế hệ thống. Mô tả lựa chọn linh kiện, sơ đồ khối, lưu đồ giải thuật của phần cứng. Thiết kế phần mềm và lưu đồ thuật toán cho phần mềm. Từ đó thi công và hoàn thiện hệ thống.

➢ Chương 4: Kết quả. Trình bày kết quả thực hiện đề tài, sản phẩm hoàn chỉnh và đánh giá sản phẩm. ➢ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. Tổng hợp, đánh giá lại toàn bộ kết quả, đưa ra các nhận xét và hướng phát triển tiềm năng cho dự án.

4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về IoT 2.1 Khái niệm IoT Internet of Things (IoT) [4] là một công nghệ tiên tiến cho phép các thiết bị thông minh kết nối với nhau thông qua Internet, chúng thu thập, chia sẻ và xử lý dữ liệu một cách tự động. Công nghệ này giúp các thiết bị quen thuộc như điện thoại, máy giặt, tủ lạnh hay hệ thống chiếu sáng có thể tương tác và phối hợp nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động và sự tiện nghi. Ứng dụng của IoT trải rộng ở nhiều lĩnh vực và ngày càng được mở rộng trong đời sống và sản xuất. Trong lĩnh vực nhà thông minh, IoT hỗ trợ điều khiển thiết bị từ xa, tự động hóa các hệ thống đèn chiếu sáng, nhiệt độ và an ninh.

Trong lĩnh vực y tế, các thiết bị đeo cung cấp dữ liệu sức khỏe liên tục, hỗ trợ bác sĩ trong việc chẩn đoán và đưa ra phác đồ điều trị phù hợp. Trong nông nghiệp, các cảm biến IoT đo lường điều kiện môi trường như độ ẩm và pH đất, giúp người trồng chủ động điều chỉnh kỹ thuật canh tác để đạt năng suất cao hơn. Trong quản lý đô thị hiện đại, IoT đóng vai trò kết nối các hạ tầng riêng lẻ thành một hệ thống thông minh và thống nhất. Ví dụ, mạng lưới cảm biến giao thông giúp điều tiết luồng xe để tối ưu hóa việc di chuyển, trong khi các giải pháp năng lượng thông minh giám sát việc tiêu thụ điện trong từng tòa nhà.

Sự tích hợp này không chỉ giúp thành phố giảm chi phí, tăng an toàn mà còn hướng tới mục tiêu phát triển xanh và bền vững. IoT đang chứng tỏ vai trò là một công nghệ mang tính cách mạng, có khả năng thay đổi toàn diện cuộc sống và công việc. Tiềm năng này sẽ còn được phát triển mạnh mẽ hơn trong tương lai nhờ sự tích hợp với trí tuệ nhân tạo và dữ liệu lớn, mang đến các hệ thống tự chủ và thông minh hơn. Được thúc đẩy bởi nền tảng 5G tốc độ cao, các ứng dụng mới sẽ liên tục ra đời, giúp cải thiện hiệu quả và an toàn.1: Ứng dụng IoT trong cuộc sống 2.2 Ứng dụng của IoT vào quản lý năng lượng Ngoài việc ứng dụng IoT trong đời sống, các hệ thống IoT còn được ứng dụng cụ thể vào quản lý năng lượng đặc biệt là điện năng, các ứng dụng của IoT trong quản lý năng lượng: a.

Giám sát năng lượng theo thời gian thực Các cảm biến đo điện được tích hợp vào thiết bị và hệ thống để giám sát lượng điện tiêu thụ, cho phép hệ thống thu thập dữ liệu năng lượng một cách liên tục và chính xác theo thời gian thực [5]. Tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng Việc quản lý năng lượng thông qua công nghệ IoT bao gồm triển khai mạng lưới các thiết bị kết nối thông minh, hạ tầng truyền thông hiện đại và nền tảng phân tích dữ liệu tích hợp AI. Hệ thống này cho phép theo dõi và điều phối mức tiêu thụ năng lượng một cách chính xác, từ đó góp phần giảm thiểu chi phí vận hành và gia tăng hiệu suất sử dụng [6]. Dự đoán và phòng ngừa các sự cố Các hệ thống IoT hiện đại bằng việc kết hợp của phân tích dữ liệu và các mô hình trí tuệ nhân tạo, các hệ thống này có khả năng đưa ra dự đoán các bất thường về điện.

Dữ liệu thu thập được từ cảm biến năng lượng sẽ được triển khai vào trong các mô hình dự đoán các sự cố tiềm ẩn. Các mô hình dự đoán sẽ giúp phòng ngừa và ngăn chặn được các vấn đề sự cố tiềm ẩn có thể xảy ra trong tương lai [7].2 Tổng quan về các chuẩn giao tiếp truyền thông có dây 2.1 Giao tiếp UART ➢ Giới thiệu chung UART một giao thức truyền thông không dây phổ biến trong lĩnh vực điện tử, thường được sử dụng để truyền dữ liệu giữa các vi điều khiển với nhau, hoặc truyền giữa vi điều khiển và máy tính. Với phương thức truyền thông là truyền dữ liệu theo kiểu nối tiếp và bất đồng bộ, hai vi điều khiển hoặc vi điều khiền và máy tính phải thống nhất với nhau về chỉ số boadrate (tốc độ truyền dữ liệu). Dữ liệu trên bus UART có cấu trúc khung dữ liệu chuẩn với thứ tự như sau: START BIT (bit bắt đầu), số bit dữ liệu sẽ truyền đi (7, 8 hoặc 9 bit), PARITY bit này dùng cho kiểm tra chẵn lẻ, STOP BIT có một hoặc hai bit để dừng [8].2: Mô hình giao tiếp UART giữa 2 vi điều khiển ➢ Hoạt động Giao tiếp UART có ba chế độ hoạt động chính như sau: - Simplex: Ở chế độ này dữ liệu sẽ tiến hành giao tiếp theo một chiều.

- Half-duplex: Chế độ này còn có tên là bán song công, dữ liệu trên đường truyền này sẽ chỉ đi theo một hướng ở một thời điểm. - Full-duplex: Chế độ giao tiếp đồng thời, dữ liệu trên bus này có thể vừa đi từ Master đến Slave và ngược lại tại cùng thời điểm. Để giao tiếp UART giữa hai thiết bị với nhau, ta cần thiết lập kết nối chân TX thiết bị này với chân RX thiết bị kia và ngược lại chân RX của thiết bị này sẽ kết nối trực tiếp với chân TX của thiết bị kia. 7 Giao thức UART là truyền thông điểm-điểm, nghĩa là nó được thiết kế để chỉ hai thiết bị trao đổi dữ liệu với nhau trong một kết nối cụ thể.

Không giống như các giao tiếp khác là SPI hay I2C, ở UART chỉ có một Master giao tiếp với một Slave. Trên bus UART dữ liệu truyền sẽ đi qua chân TX, còn dữ liệu nhận sẽ đi qua chân RX.3: Cấu trúc của một gói tin truyền qua UART Hình 2.3 mô tả cấu trúc của dữ liệu khi truyền thông qua giao thức truyền thông UART, dữ liệu khi được truyền đi bằng giao tiếp UART sẽ được đóng gói như hình trên. Dữ liệu được đóng gói như trên được gọi là một packet. Khi dữ liệu được truyền đi các gói sẽ gồm có bit bắt đầu thường là 1 bit dùng để xác định bắt đầu của gói dữ liệu, tiếp tục sau bit bắt đầu là khung dữ liệu sẽ có 5 đến 9 bit tùy vào cách cấu hình, tiếp đến là bit dữ liệu kiểm tra xem là dữ liệu chẵn hay lẻ để hỗ trợ tính hợp lệ của gói tin.

Và phần cuối của gói tin là 1 đến 2 bit kết thúc. Việc truyền một gói tin hoàn chỉnh qua UART kết thúc sau khi các bit dừng này đã được gửi.2 Giao tiếp One Wire One-Wire [9] là giao thức truyền thông dữ liệu nối tiếp chỉ sử dụng một bus dây dữ liệu (single bus) để giao tiếp với các thiết bị cảm biến trong lĩnh vực điện tử, được phát triển bởi Dallas Semiconductor. Giao thức One-Wire có tốc độ truyền và tiêu thụ năng lượng thấp nhưng có thể truyền dữ liệu ở khoảng cách xa và cấu hình kết nối đơn giản. Giao thức này chỉ sử dụng một dây bus dữ liệu duy nhất để giao tiếp với thiết bị hay cảm biến mà không cần đến các dây tín hiệu xung clock để đồng bộ hóa như các giao thức truyền thông có dây khác là I2C và SPI.

Mặc dù với tên gọi là One-Wire nhưng thực tế khi kết nối với thiết bị cần sử dụng ít nhất 2 dây là dây dữ liệu và dây nối đất, một dây khác có thể sử dụng thêm tùy thuộc vào cách cấp nguồn cho thiết bị. 8 ➢ Mô hình kết nối của chuẩn giao thức One Wire Ở hình 2.4 là mô hình kết nối đường truyền của One-Wire, dây tín hiệu của One Wire phải được kéo lên mức 3V đến 5. GPIO của vi điều khiển được cấu hình ở dạng Open Drain. Ở bus One Wire giao tiếp không phân biệt về số lượng, có thể có nhiều Slave kết nối trong cùng bus.4: Sơ đồ kết nối của One Wire ➢ Phương thức hoạt động của One Wire Hình 2.5 mô tả phương thức hoạt động của One Wire.

4 phương thức hoạt động của giao thức này là: Reset, Wirte 1, Write 0, Read. - Reset: Thường là bắt đầu giao tiếp. Thiết bị Master hay vi điều khiển sẽ cấu hình chân đọc dữ liệu là output, kéo chân đó xuống mức 0 một khoảng thời gian H rồi nhả chân tín hiệu để trở kéo lên mức 1 hoặc ghi mức 1 vào chân đó. Sau đó chân GPIO đó sẽ được cấu hình ở chế độ input để nhận phản hồi từ thiết bị Slave có thể là cảm biến.

Nếu dữ liệu phản hồi nhận được là 0 thì bắt đầu giao tiếp thành công, ngược lại phản hồi được nhận là 1 thì quá trình bắt đầu giao tiếp thất bại. - Write 1: Phương thức truyền đi bit 1 qua Slave, Master sẽ kéo chân GPIO xuống mức 0 một khoảng thời gian A (us) sau đó kéo lên chân tín hiệu đó về mức 1 khoảng thời gian B (us). - Write 0: Phương thức truyền đi bit 0 qua thiết bị Slave, Thiết bị Master sẽ kéo chân tín hiệu xuống 0 với một khoảng thời gian là C (us) rồi trả về ở chân tín hiệu đó mức 1 nhưng với khoảng thời gian là D (us). - Read: Phương thức đọc bit từ Slave, Để thực hiện phương thức Read Master sẽ kéo chân giao tiếp xuống 0 với khoảng A sau đó trả về lại 1.

Tạo độ trễ 9 một khoảng E (us) sau đó đọc giá trị từ thiết bị Slave gửi về. Tín hiệu nhận được sẽ nằm trong khoảng thời gian F. Sau khoảng thời gian đó Slave sẽ nhả chân về trạng thái 1.5: Phương thức hoạt động của One Wire 2.3 Tổng quan về công nghệ truyền thông LoRa 2.1 Khái niệm LoRa LoRa (viết tắt của "Long Range") [10] là một kỹ thuật điều chế trải phổ được phát triển từ công nghệ trải phổ chirp (CSS).