Đồ án: Thiết kế và thi công hệ thống quản lý thời gian phòng khách sạn

Đồ án tốt nghiệp về hệ thống quản lý phòng khách sạn thông minh. Ứng dụng công nghệ IoT, LoRa, ESP8266 để thiết kế và thi công hoàn chỉnh.

• Tác giả: Hồ Thị Thu Thảo
• Người hướng dẫn: ThS. Phan Vân Hoàn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử - Truyền thông
• Đề tài: Đề án quản lý phòng khách sạn thông minh bằng IoT, LoRa
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống quản lý phòng khách sạn thông minh bằng IoT và LoRa

Hệ thống quản lý phòng khách sạn thông minh bằng IoT và LoRa là một giải pháp hiện đại để tối ưu hóa hoạt động quản lý khách sạn. Internet of Things (IoT) cho phép kết nối các thiết bị điện tử và thu thập dữ liệu thời gian thực, trong khi công nghệ LoRa cung cấp khả năng truyền tín hiệu long-range với công suất thấp. Đồ án này kết hợp hai công nghệ để xây dựng một hệ thống quản lý thời gian sử dụng phòng hiệu quả. Hệ thống giúp khách sạn theo dõi tình trạng phòng, quản lý dữ liệu khách hàng và tối ưu hóa doanh thu. Module RF LoRa SX1278 được sử dụng để truyền dữ liệu từ các phòng đến trung tâm xử lý. Node MCU ESP8266 đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm, kết nối với webserver MySQL để lưu trữ và quản lý dữ liệu.

1.1. Khái niệm Internet of Things và ứng dụng trong khách sạn

IoT (Internet of Things) là công nghệ kết nối các thiết bị thông minh với nhau qua mạng internet. Trong ngành khách sạn, IoT giúp tự động hóa quản lý phòng, điều khiển chiếu sáng, nhiệt độ và giám sát an ninh. Hệ thống IoT khách sạn thông minh nâng cao trải nghiệm khách hàng và tiết kiệm chi phí vận hành. Các cảm biến IoT có thể phát hiện sự có mặt, đo lường tiêu thụ năng lượng và gửi cảnh báo khi cần bảo trì.

1.2. Công nghệ LoRa trong truyền tín hiệu long range

LoRa (Long Range) là công nghệ truyền không dây tần số thấp, có phạm vi lên đến vài km. Module RF LoRa SX1278 được sử dụng để truyền dữ liệu giữa các nút (node) và trạm base station. Ưu điểm của LoRa là tiêu thụ năng lượng thấp, độ tin cậy cao và có thể hoạt động trong môi trường yếu tín hiệu. Chuẩn giao tiếp UART được sử dụng để kết nối module LoRa với Node MCU ESP8266.

II. Kiến trúc và thiết kế hệ thống quản lý phòng khách sạn IoT

Kiến trúc hệ thống quản lý phòng khách sạn bằng IoT và LoRa bao gồm ba lớp chính: lớp thu thập dữ liệu, lớp xử lý trung tâm và lớp ứng dụng. Khối thu thập dữ liệu được lắp đặt tại mỗi phòng để giám sát tình trạng sử dụng. Khối xử lý trung tâm sử dụng Node MCU ESP8266 để xử lý tín hiệu từ các phòng. Lớp ứng dụng là webserver MySQL cho phép quản lý viên theo dõi dữ liệu từ bất kỳ nơi nào. Hệ thống sử dụng mạch nguồn AC-DC 5V-1A để cung cấp điện năng ổn định. IC AMS1117 điều chỉnh điện áp để cấp cho các module. Sơ đồ khối hệ thống cho thấy luồng dữ liệu từ cảm biến đến webserver.

2.1. Khối thu thập dữ liệu tại các phòng khách sạn

Khối thu thập dữ liệu được lắp đặt tại mỗi phòng để giám sát tình trạng sử dụng. Module RF LoRa SX1278 nhận dữ liệu từ cảm biến và truyền đến trạm base station. Cảm biến cơ học phát hiện khi phòng được sử dụng. Dữ liệu được mã hóa và gửi qua giao tiếp UART với độ tin cậy cao. Hệ thống có thể hoạt động trong chế độ transparent hoặc chế độ AT command tùy theo yêu cầu ứng dụng.

2.2. Lớp xử lý trung tâm với Node MCU ESP8266

Node MCU ESP8266 đóng vai trò bộ xử lý trung tâm, nhận tín hiệu từ module LoRa qua UART. Vi điều khiển này có khả năng kết nối WiFi để truyền dữ liệu lên webserver. ESP8266 xử lý dữ liệu, kiểm tra tính hợp lệ và lưu vào cơ sở dữ liệu MySQL. Hệ thống có mạch nguồn chuyên dụng để cấp điện ổn định cho tất cả linh kiện.

III. Lập trình và phần mềm hệ thống quản lý IoT

Phần mềm hệ thống được lập trình bằng Arduino IDE cho Node MCU ESP8266 và sử dụng ngôn ngữ C++. Lưu đồ toàn hệ thống mô tả quy trình khởi động, thu thập dữ liệu, xử lý và gửi lên webserver. Chương trình con kiểm tra dữ liệu đảm bảo tính toàn vẹn của thông tin trước khi lưu trữ. Thư viện ESP8266 được nhập vào Arduino IDE để hỗ trợ kết nối WiFi. Chuẩn giao tiếp UART được cấu hình với tốc độ baud phù hợp. Giao diện webserver sử dụng MySQL database để lưu trữ dữ liệu phòng, giá phòng và lịch sử sử dụng. Quản lý viên có thể truy cập website để theo dõi trạng thái phòng, xem dữ liệu theo ngày, tháng, năm và thay đổi thông tin phòng.

3.1. Cấu hình Arduino IDE và thư viện ESP8266

Arduino IDE là phần mềm lập trình miễn phí để phát triển code cho Node MCU ESP8266. Để sử dụng Arduino IDE với ESP8266, cần thêm Boards Manager từ URL tương ứng. Bước install ESP8266 Community cho phép biên dịch và nạp chương trình. Thư viện UART được cấu hình để giao tiếp với module LoRa SX1278. Quá trình cấu hình bao gồm chọn board type, port COM và tốc độ upload phù hợp.

3.2. Lập trình lưu trữ và truy vấn dữ liệu MySQL

Cơ sở dữ liệu MySQL được tạo để lưu trữ thông tin phòng, dữ liệu sử dụng và lịch sử khách hàng. Webserver kết nối ESP8266 với database MySQL thông qua HTTP requests. Chương trình con kiểm tra dữ liệu trước khi đưa vào database. Website cho phép xem dữ liệu theo ngày, tháng, năm và thống kê tổng hợp. Hệ thống hỗ trợ thay đổi tên phòng, giá phòng và xuất báo cáo doanh thu.

IV. Kết quả thực hiện và hướng phát triển đồ án IoT khách sạn

Đồ án quản lý phòng khách sạn thông minh bằng IoT và LoRa đã hoàn thành thành công với mạch chạy thực tế đạt yêu cầu kỹ thuật. Giao diện website thân thiện, dễ sử dụng cho quản lý viên khách sạn. Giá thành sản phẩm hợp lý với chi phí module LoRa, Node MCU, cảm biến, mạch nguồn và các linh kiện khác. Hệ thống đã được kiểm tra và chạy thực tế với kết quả tốt trong việc quản lý thời gian sử dụng phòng và lưu trữ dữ liệu khách hàng. Hướng phát triển bao gồm tích hợp điều khiển thông minh (đèn, điều hòa), thanh toán online, đánh giá khách hàng và mở rộng phạm vi LoRa cho các khách sạn lớn.

4.1. Giao diện website và hệ thống theo dõi dữ liệu thực tế

Giao diện website được thiết kế với giao diện trực quan, hiển thị trạng thái tất cả phòng trên bản đồ tương tác. Dashboard quản lý cho phép xem doanh thu theo ngày/tháng/năm, tỷ lệ phòng trống, lịch sử sử dụng. Hệ thống thông báo gửi cảnh báo khi phòng cần dọn dẹp hoặc hết hạn đặt phòng. Báo cáo tổng hợp được xuất dưới dạng Excel để phân tích kinh doanh. Mạch chạy thực tế hoạt động ổn định với tốc độ truyền dữ liệu nhanh và độ chính xác cao.

4.2. Hướng phát triển và tích hợp công nghệ mới

Hướng phát triển bao gồm tích hợp đèn thông minh, điều hòa không khí thông minh được điều khiển qua website. Thanh toán online sử dụng gateway thanh toán để tăng an toàn. Hệ thống nhận phòng tự động với khóa cửa điện tử. Ứng dụng mobile cho khách hàng đặt phòng và kiểm tra trạng thái. AI và machine learning dự báo nhu cầu phòng. Mở rộng phạm vi LoRa cho nhiều tòa nhà, chi nhánh khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN  Chương 3: Tính Toán và Thiết Kế Chương 3 thiết kế sơ đồ khối hệ thống, giải thích chức năng các khối, tính toán và thiết kế mạch và lựa chọn linh kiện. Cụ thể, tính toán và kết nối cho các khối điều khiển trung tâm, khối nguồn, khối thu thập và xử lý dữ liệu và khối website.  Chương 4: Thi Công Hệ Thống Chương 4 trình bày cách cài đặt hệ điều hành, cài đặt thư viện, các phương pháp điều khiển và hiển thị, lưu đồ giải thuật chính, lưu đồ giải thuật con và giải thích.

Đồng thời trình bày các bước thi công mạch, sơ đồ mạch layout, lắp ráp, kiểm tra sản phẩm, thi công mô hình, hướng dẫn sử dụng.  Chương 5: Kết quả - Nhận Xét – Đánh giá Chương 5 nêu lên kết quả đã đạt được so với mục tiêu ban đầu về giao diện website, mạch chạy thực tế. Đồng thời đưa ra nhận xét và đánh giá về kết quả thực hiện đề tài.  Chương 6: Kết Luận – Hướng Phát Triển Chương này đưa ra kết luận chung về những gì đã thực hiện đồng thời đúc kết lại ưu khuyết điểm để đưa ra hướng phát triển cho đề tài để có thể ứng dụng tốt trong thực tế.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ở Chương 2, nhóm sẽ tổng hợp nêu lên những kiến thức được xem là nền tảng để có thể xây dựng được hệ thống này bao gồm: Tổng quan về website và xây dựng hệ thống webserver, hệ thống IoTs ứng dụng trong điều khiển, hệ thống WiFi và ứng dụng của hệ thống vào IoTs, giới thiệu về MySQL và tổng quan về công nghệ truyền không dây LoRa. Về phần mềm nhóm nêu lên các phần kiến thức như: sơ lược về lập trình, các công cụ lập trình.

CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN 2. Tổng quan về website World Wide Web (www), hay gọi tắt là web, là một không gian thông tin toàn cầu mà mọi người có thể truy nhập (gửi và nhận thông tin) qua các máy tính hoặc mobile có kết nối với mạng Internet. Thuật ngữ này thường được hiểu nhầm là từ đồng nghĩa với chính thuật ngữ Internet. Nhưng web thực ra chỉ là một trong các dịch vụ chạy trên Internet.

Đặc điểm tiện lợi của web: Thông tin dễ dàng cập nhật, thay đổi, khách hàng có thể xem thông tin ngay tức khắc, ở bất kỳ nơi nào, tiết kiệm chi phí in ấn, gửi bưu điện, fax, thông tin không giới hạn muốn đăng bao nhiêu thông tin cũng được, không giới hạn số lượng thông tin, hình ảnh và không giới hạn phạm vi khu vực sử dụng toàn thế giới có thể truy cập. Tổng quan về webserver Web Server là một hay nhiều máy tính mà tại đó chứa đựng mã nguồn của trang web, máy tính đó còn phải được cài các chương trình phục vụ web. Chính những chương trình này sẽ thiết lập các kết nối để người trình duyệt web có thể truy cập được vào trang web (ví dụ như IIS của Microsoft). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Hệ thống Webserver điển hình Trong đề tài nhóm sử dụng Web Server để đóng vai trò như một máy chủ để có thể lưu dữ liệu, cập nhật dữ liệu hoạt động của phòng, cũng như truy xuất thời gian hoạt động của mỗi phòng khi người dùng truy cập. Trong webserver của đề tài thì nhóm sử dụng hosting để tải dữ liệu lên cũng như lưu trữ dữ liệu, một database để chứa tất cả nguồn của trang webserver như là: tên đăng nhập, mật khẩu, thời gian, dữ liệu thời gian sử dụng, doanh thu của phòng theo thời gian hiện tại, theo ngày và theo tháng,. Để làm được điều đó thì cũng cần một chương trình trung gian ở server để nhận dữ liệu từ hệ thống cũng như trích xuất dữ liệu từ database.

Chương trình ở server nhóm đã lựa chọn PHP, nhóm đã sử dụng ngôn ngữ PHP để lập trình để tiếp nhận dữ liệu từ hệ thống IoTs và thiết lập cơ sở dữ liệu. Tổng quan về Internet of Things a. Giới thiệu Internet of Things (IoTs) mô tả mạng lưới kết nối vạn vật. Khi mà mỗi đồ vật hay cả con người được cung cấp một định danh riêng và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất.

IoTs phát triển từ sự kết hợp của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản IoTs là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.

Kiến trúc một mô hình IoTs điển hình b. Ứng dụng của IoTs IoTs có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp (điều khiển hệ thống máy tự động trong nhà máy, giám sát hệ thống cảm biến trong nhà máy, tự động hóa điều khiển các thiết bị tự động trong nhà máy), quản lí các ngành, phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp, quản lí các thiết bị cá nhân, đồng hồ đo thông minh, tự động hóa ngôi nhà và các thiết bị cần thiết. Giới thiệu về MySQL MySQL là một Database Server, là hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu quan hệ. Trong việc lưu trữ, tìm kiếm, sắp xếp và truy vấn dữ liệu, nó rất nhanh và mạnh mẽ.

MySQL Server điều khiển truy cập dữ liệu đa người dùng cùng một thời điểm, cung cấp khả năng truy cập dữ liệu nhanh, bảo đảm cho người sử dụng được cấp quyền truy cập dữ liệu của hệ thống. Do vậy, MySQL là đa người dùng, đa luồng. MySQL có thể quản lý tới hàng Terabyte dữ liệu, hàng triệu bản ghi, chạy trên nhiều môi trường khác nhau, có giao diện tương đối dễ sử dụng, có thể truy vấn dữ liệu thông qua câu lệnh SQL. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT MySQL được sử dụng chung với PHP trong những trang web cần sử dụng đến cơ sở dữ liệu. Tổng quan về công nghệ LoRa a. Giới thiệu LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu.

Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động với battery trong thời gian dài trước khi cần thay pin. Nguyên lý hoạt động LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Có thể hiểu nôm na nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi. Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu LoRa có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh.

Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:  430MHz cho châu Á BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  780MHz cho Trung Quốc  433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu  915MHz cho USA Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau có thể hoạt động trong cùng một khu vực mà không gây nhiễu cho nhau. Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho một chirprate). Kích thước và sơ đồ chân Module RF LoRa SX1278 Bảng 2.

Tên và chức năng các chân của Module RF LoRa SX1278 Ký hiệu Tên Chức năng 1 M0 Ghép với M1 và quyết định bốn chế độ hoạt động. 2 M1 Ghép với M0 và quyết định bốn chế độ hoạt động. Đầu vào TTL UART, kết nối với đầu ra TXD bên 3 RDX ngoài ( Node MCU ESP8266) Đầu ra TTL UART, kết nối với đầu vào TXD bên 4 TDX ngoài ( Node MCU ESP8266) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 AUX Để biểu thị trạng thái làm việc của module 6 VCC Cung cấp nguồn 2.5V 7 GND Nối đất Các chế độ hoạt động của module RF LoRa SX1278 được điều khiển bởi hai chân M0, M1 được trình bày ở bảng sau.

Các chế độ hoạt động của Module RF LoRa Sx1278 Mod M1 M0 Mô tả Ghi chú e Thiết bị nhận nên 0 (Normal) 0 Thiết bị phát truyền được đặt ở mode 0 liên tục 0 hoặc mode 1 Thiết bị nhận có Thiết bị truyền được thể làm việc ở 1(Wake-up) 0 1 đặt ở mode 1 mode 0, mode 1, mode 2 Thiết bị truyền 2 (Power-saving) 1 0 Thiết bị nhận được không được phép đặt ở mode 2 đặt ở mode này 3 (Sleep) 1 1 Cấu hình thông số Module RF LoRa SX1278 có ba cách để truyền dữ liệu giữa các module với nhau:  Truyền điểm – điểm: các module phải được cấu hình cùng kênh và cùng địa chỉ. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Mô tả truyền điểm – điểm  Truyền cố định: các module khác kênh, khác địa chỉ có thể truyền nhận dữ liệu với nhau với điều kiện thiết bị truyền phải gửi kèm kênh + địa chỉ của thiết bị nhận khi gửi dữ liệu.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Mô tả truyền cố định  Truyền broadcast: một module được cấu hình với địa chỉ là FF FF, module này có thể phát dữ liệu đến tất cả các module có cùng kênh. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11 CHƯƠNG 2.