Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư, Internet of Things (IoT - Mạng lưới vạn vật kết nối Internet) đã trở thành nền tảng công nghệ quan trọng, cho phép liên kết và điều khiển các thiết bị điện tử trong sinh hoạt gia đình thông qua môi trường mạng. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn về việc tự động hóa ngôi nhà, tối ưu hóa tiện ích sử dụng điện năng và nâng cao tính tiện dụng cho người dùng, nhóm tác giả thuộc Bộ môn Điện tử Công nghiệp đã thực hiện đề tài "Điều khiển thiết bị điện thông qua trợ lý ảo Google Assistant".

Đề tài được xây dựng trên cơ sở kế thừa và cải tiến công trình tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị nhà có hỗ trợ Google Assistant" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Các điểm cải tiến mới bao gồm: khả năng điều chỉnh độ sáng tuyến tính của hệ thống đèn bằng giọng nói, tính năng hẹn giờ bật/tắt thiết bị, giám sát thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm), cảnh báo an ninh khi có đột nhập và tích hợp cơ chế tự động cấu hình mạng Wi-Fi linh hoạt.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

  1. Về phần cứng: Thiết kế, thi công khối công suất và mạch điều khiển cho bóng đèn chiếu sáng dân dụng có khả năng kết nối Wi-Fi; thiết kế module giám sát đa năng đo nhiệt độ, độ ẩm và phát hiện chuyển động có tích hợp còi báo động.
  2. Về phần mềm: Ứng dụng trợ lý ảo Google Assistant để điều khiển thiết bị bằng giọng nói; xây dựng phần mềm trên hệ điều hành Android phục vụ giám sát trạng thái thời gian thực, điều chỉnh độ sáng, lập lịch hẹn giờ và hiển thị các cảnh báo an ninh - môi trường qua kết nối 3G/Wi-Fi.

Nội dung và nhiệm vụ nghiên cứu:

  • Nội dung 1: Khảo sát và lựa chọn bóng đèn LED trụ tròn (LED bulb) công suất 30W, cảm biến đo nhiệt độ - độ ẩm DHT11 và cảm biến chuyển động hồng ngoại PIR AM312.
  • Nội dung 2: Đề xuất các giải pháp kỹ thuật thiết kế phần cứng và kiến trúc phần mềm.
  • Nội dung 3: Tính toán, thiết kế chi tiết khối công suất, khối điều khiển đèn và mạch giám sát cảnh báo.
  • Nội dung 4: Xây dựng ứng dụng di động điều khiển và hiển thị trên nền tảng Android.
  • Nội dung 5: Thi công hoàn thiện mô hình thực tế của các khối mạch và thiết bị.
  • Nội dung 6: Đo đạc, kiểm tra và đánh giá kết quả hoạt động của toàn bộ hệ thống.

Đối tượng và phạm vi giới hạn nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển chiếu sáng dân dụng và thiết bị giám sát cảnh báo môi trường - an ninh.
  • Phạm vi phần cứng: Sử dụng đèn LED bulb công suất 30W, mỗi bóng đèn hoạt động như một node mạng độc lập; hệ thống mô phỏng hỗ trợ điều khiển 2 bóng đèn; sử dụng cảm biến DHT11 và PIR AM312.
  • Phạm vi không gian và đường truyền: Khoảng cách giám sát và điều khiển không bị giới hạn về mặt địa lý, hoạt động thông qua hạ tầng mạng không dây Wi-Fi và mạng di động 3G.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết và công nghệ nền tảng

Nghiên cứu vận dụng các lý thuyết kỹ thuật điện tử, truyền thông mạng không dây và công nghệ phần mềm chuyên ngành:

  • Trợ lý ảo Google Assistant: Nền tảng trợ lý thông minh do Google giới thiệu năm 2016 và mở rộng SDK từ năm 2017. Hệ thống có khả năng nhận dạng giọng nói tiếng Việt tốt, cho phép xử lý câu lệnh điều khiển thiết bị nhà thông minh.
  • Cơ sở dữ liệu đám mây Firebase Realtime Database: Dịch vụ lưu trữ và đồng bộ dữ liệu thời gian thực theo định dạng JSON được Google mua lại năm 2014. Gói miễn phí cung cấp 1GB dung lượng lưu trữ, hỗ trợ tối đa 100 thiết bị kết nối đồng thời với độ bảo mật cao qua giao thức SSL.
  • Hệ điều hành Android: Hệ điều hành mã nguồn mở dựa trên Linux, hỗ trợ khả năng đa nhiệm và giao diện tùy biến cao. Phần mềm được thiết kế tương thích từ Android phiên bản 5.1 trở lên.
  • Chuẩn giao tiếp không dây Wi-Fi (IEEE 802.11): Tổng quan các chuẩn mạng không dây thông dụng (802.11b, 802.11g, 802.11a, 802.11n, 802.11ac, 802.11ad) hoạt động trên các dải băng tần 2.4 GHz, 5 GHz và 60 GHz.
  • Giao thức truyền thông MQTT qua Adafruit IO: Cung cấp kênh truyền thông môi giới (broker) để tiếp nhận lệnh thoại từ Google Assistant và phân phối tới vi điều khiển thông qua cơ chế Publish/Subscribe.

Phương pháp nghiên cứu và phát triển

  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Phân tích thông số kỹ thuật (Datasheet) của linh kiện điện tử để tính toán dòng định mức, sụt áp, công suất tiêu tán và lựa chọn linh kiện bảo vệ (diode Zener, điện trở hạn dòng, tụ lọc nguồn).
  • Phương pháp thiết kế mạch in (PCB): Sử dụng phần mềm chuyên ngành để bố trí linh kiện và vẽ mạch in 2 lớp đảm bảo tiêu chuẩn chống nhiễu và kích thước lắp đặt cơ khí.
  • Phương pháp lập trình nhúng và phát triển ứng dụng: Lập trình vi điều khiển trên nền tảng Arduino C/C++ tích hợp các thư viện truyền thông (ESP8266WiFi, FirebaseArduino, Adafruit_MQTT, WiFiManager) và xây dựng ứng dụng Android đa giao diện (Activity).
  • Phương pháp thực nghiệm và đo kiểm: Tiến hành kiểm tra thông mạch, đo điện áp tại các điểm nút, kiểm tra phát xung PWM và đánh giá độ ổn định của liên kết mạng trong môi trường thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống là một công trình kỹ thuật phần cứng kết hợp phần mềm nhúng và ứng dụng di động, bao gồm hai phân hệ chính: mạch điều khiển đèn LED bulb và mạch giám sát môi trường - an ninh.

Kiến trúc phần cứng và tính toán thiết kế

Toàn bộ phần cứng được phát triển dựa trên vi điều khiển trung tâm ESP8266 ESP-12E NodeMCU kết hợp với các mạch nguồn xung hạ áp và mạch giao tiếp công suất.

1. Khối xử lý trung tâm

  • Vi điều khiển ESP8266 ESP-12E hoạt động ở mức điện áp 3.0V – 3.6VDC, dòng tiêu thụ trung bình 80mA (cực đại 170mA trong các chế độ truyền nhận). Nhóm thiết kế tính toán nguồn cấp mức dòng dự phòng là 300mA để tránh sụt áp gây khởi động lại hệ thống.
  • Sử dụng IC ổn áp tuyến tính AMS1117-3.3V (chịu áp vào tối đa 15V, dòng tải lên đến 800mA) để hạ áp từ 5VDC xuống 3.3VDC.
  • Tụ điện lọc nguồn: Tính toán độ gợn sóng $r = 6%$, chọn tụ phân cực $100\mu\text{F}$ để ổn định điện áp khi ESP8266 chuyển sang chế độ Modem-sleep ($15\text{mA}$), kết hợp tụ không phân cực $104$ ($0.1\mu\text{F}$) để lọc nhiễu cao tần.
  • Mạch nạp và bảo vệ: Sử dụng IC nạp CP2102, bố trí diode Zener $3.3\text{V}$ và điện trở hạn dòng $1.8\text{k}\Omega$ trên các đường dữ liệu nhằm đảm bảo dòng vào nhỏ hơn $0.9\text{mA}$ ở mức điện áp logic an toàn.

2. Khối điều khiển công suất độ sáng đèn bulb

  • Sử dụng bóng đèn LED bulb công suất 30W thương mại. Nguồn công suất có sẵn của đèn cung cấp điện áp ra khi không tải là $210\text{VDC}$ từ nguồn vào $220\text{VAC}$.
  • Dòng tiêu thụ cực đại của tấm LED là $266.6\text{mA}$, điện áp tải tối đa $109.7\text{VDC}$.
  • Khóa chuyển mạch công suất sử dụng MOSFET kênh N loại IRF830 (điện áp đánh thủng $V_{DS} = 500\text{V}$, dòng tải định mức $I_D = 5\text{A}$, công suất $125\text{W}$).
  • Cách ly quang học: Sử dụng Opto PC817 để cách ly hoàn toàn giữa khối điều khiển $3.3\text{V}$ và khối công suất cao áp. Vi điều khiển xuất xung PWM tần số $1\text{kHz}$ (chu kỳ $T = 1\text{ms}$) tại chân GPIO5 (D1). Điện trở phân áp hạn dòng cho diode quang của PC817 được tính toán ở mức $100\Omega$.

3. Khối giám sát nhiệt độ, độ ẩm và cảnh báo đột nhập

  • Cảm biến DHT11 đo nhiệt độ, độ ẩm môi trường, sử dụng nguồn $5\text{VDC}$ (dòng tiêu thụ $2.5\text{mA}$), chân DATA kết nối với GPIO2 (D4).
  • Cảm biến chuyển động hồng ngoại thụ động PIR AM312 (dòng tiêu thụ $0.1\text{mA}$), chân DATA kết nối với GPIO4 (D2). Nguồn cấp $5\text{V}$ cho cảm biến PIR được điều khiển đóng/ngắt từ chân GPIO13 (D7) thông qua Opto PC817 kết hợp điện trở hạn dòng LED báo $220\Omega$.
  • Mạch còi báo động (Buzzer $5\text{V}$): Điều khiển kích đóng ngắt thông qua chân GPIO14 (D5) qua tầng cách ly Opto PC817.
  • Đèn LED chế độ ngủ kết nối tại chân GPIO5 (D1).

4. Khối nguồn điều khiển

Hệ thống sử dụng module nguồn xung hạ áp cách ly chuyên dụng, nhỏ gọn, đặt vừa không gian bên trong chao đèn:

  • Điện áp ngõ vào: $90\text{VAC} - 230\text{VAC}$ (dòng ngõ vào $14\text{mA}$ tại $220\text{VAC}$).
  • Điện áp ngõ ra: $5\text{VDC}$ ổn định.
  • Dòng tải ngõ ra: $0 - 700\text{mA}$ (cực đại đạt $750\text{mA}$), đáp ứng tốt tổng dòng tiêu thụ toàn mạch ($300\text{mA}$).
STT Tên linh kiện Thông số kỹ thuật chính Số lượng Dạng đóng gói
1 IC ổn áp AMS1117-3.3 Ngõ vào max 15V, ngõ ra 3.3V / 800mA 3 Dán (SMD)
2 Vi điều khiển ESP8266 NodeMCU Module Wi-Fi ESP-12E, 3.0V - 3.6V 3 Dán (SMD)
3 MOSFET IRF830 $V_{DS} = 500\text{V}, I_D = 5\text{A}, P = 125\text{W}$ 2 Cắm (Through-hole)
4 Opto cách ly PC817 Điện áp ngõ vào max 6V, áp ra max 35V 4 Cắm (Through-hole)
5 Cảm biến DHT11 Điện áp hoạt động 3V - 5VDC, $I = 2.5\text{mA}$ 1 Cắm (Through-hole)
6 Cảm biến PIR AM312 Cảm biến chuyển động mini, $I = 0.1\text{mA}$ 1 Cắm (Through-hole)
7 Module nguồn xung 5V-700mA Vào 90-230VAC, ra 5VDC / 700mA 2 Module tích hợp
8 Tụ hóa phân cực $100\mu\text{F} / 25\text{V}$ 6 Dán (SMD)
9 Tụ gốm không phân cực (104) $104\text{pF} / 25\text{V}$ 3 Cắm (Through-hole)
10 Còi báo Buzzer Điện áp định mức 5V 1 Cắm (Through-hole)
11 Diode Zener 3V3 Điện áp ghim 3.3V, công suất 1W 9 Cắm (Through-hole)

Thiết kế phần mềm và giải thuật điều khiển

1. Lưu đồ giải thuật nhúng trên ESP8266

Khi cấp nguồn, vi điều khiển khởi tạo cổng nối tiếp Serial và module WiFiManager.

  • Nếu thiết bị chưa từng được cài đặt mạng hoặc không tìm thấy mạng Wi-Fi đã lưu, ESP8266 tự động phát ra một mạng Wi-Fi ở chế độ Access Point (AP) với tên định danh riêng biệt (ví dụ: "light 1"). Người dùng truy cập địa chỉ IP mặc định 192.168.4.1 để cấu hình SSID và mật khẩu mạng mới. Sau khi lưu, ESP8266 chuyển sang chế độ Station (STA) để kết nối vào Internet.
  • Sau khi có kết nối mạng, vi điều khiển đăng ký các chủ đề (Topics/Feeds) trên Adafruit IO MQTT (io.adafruit.com, cổng 1883) gồm dosang1, max, light1 và kết nối với cơ sở dữ liệu Firebase.
  • Trong vòng lặp hoạt động tuần hoàn (loop): Vi điều khiển duy trì kết nối MQTT, đọc dữ liệu điều khiển bằng giọng nói, cập nhật biến độ sáng (thang giá trị từ 1 đến 10), đồng bộ giá trị lên Firebase và xuất độ rộng xung PWM tương ứng ra chân D1 để điều khiển MOSFET. Nếu mất kết nối Firebase, vi điều khiển giữ nguyên giá trị PWM hiện tại.

2. Xây dựng ứng dụng Android

Ứng dụng được viết cho các thiết bị chạy hệ điều hành Android 5.1 trở lên, tối ưu cho màn hình 5.1 inch độ phân giải $1440 \times 2560\text{ px}$, bao gồm 3 Activity:

  • Activity 1 (Điều khiển đèn): Gồm 4 TextView (tên đèn và mức độ sáng), 2 ImageView hiển thị trạng thái bật/tắt trực quan, 2 Switch chuyển đổi đóng/ngắt và 2 SeekBar điều chỉnh độ sáng tuyến tính.
  • Activity 2 (Môi trường & An ninh): Gồm 4 ImageView và 4 TextView hiển thị giá trị số thực của nhiệt độ, độ ẩm từ DHT11, đồng thời chuyển đổi màu sắc/hình ảnh trạng thái an toàn hoặc cảnh báo nguy hiểm khi phát hiện đột nhập (từ PIR) hoặc nhiệt độ cao vượt ngưỡng.
  • Activity 3 (Hẹn giờ): Gồm 2 TextView hiển thị đồng hồ thời gian thực, 4 EditText tích hợp giao diện đồng hồ chọn mốc thời gian bật/tắt và các Button xác nhận lịch trình để so sánh với thời gian thực tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này tập trung trình bày tính cấp thiết của đề tài trong kỷ nguyên IoT 4.0, xác định lý do lựa chọn trợ lý ảo Google Assistant làm phương tiện điều khiển chính. Tác giả nêu rõ mục tiêu thi công phần cứng, phần mềm, phạm vi giới hạn kỹ thuật (đèn 30W, cảm biến DHT11, PIR AM312, phạm vi điều khiển không giới hạn qua 3G/Wi-Fi) và bố cục tổng thể gồm 6 chương của khóa luận.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày chi tiết lý thuyết nền tảng phục vụ nghiên cứu, bao gồm:

  • Khái niệm, lịch sử phát triển, ưu nhược điểm của trợ lý ảo Google Assistant trong việc xử lý tiếng Việt và điều khiển Smart Home.
  • Cấu trúc và cơ chế đồng bộ dữ liệu thời gian thực JSON của Google Firebase, phân tích ưu thế bảo mật SSL và hạn chế của gói miễn phí (100 kết nối, 1GB).
  • Tổng quan hệ điều hành Android mã nguồn mở, các phiên bản cập nhật và ưu thế đa nhiệm.
  • Phân loại và đặc tính kỹ thuật của các chuẩn mạng không dây Wi-Fi (IEEE 802.11 b/g/a/n/ac/ad) trên các tần số 2.4 GHz, 5 GHz và 60 GHz.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày các tính toán kỹ thuật chi tiết:

  • Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống và nguyên lý vận hành hai chiều qua Firebase và MQTT.
  • Tính toán lựa chọn dòng định mức cho vi điều khiển ESP8266 ($300\text{mA}$), tính chọn tụ lọc nguồn $100\mu\text{F}$, IC ổn áp AMS1117-3.3V và các mạch bảo vệ Zener $3.3\text{V}$.
  • Thiết kế mạch công suất đèn: Tính chọn MOSFET IRF830 ($500\text{V} / 5\text{A}$), tầng kích Opto PC817 với tần số PWM $1\text{kHz}$ và điện trở phân áp $100\Omega$.
  • Thiết kế mạch ghép nối cảm biến DHT11, PIR AM312 và còi báo Buzzer $5\text{V}$.
  • Thiết kế giao diện đồ họa 3 Activity trên hệ điều hành Android.

Chương 4: Thi công hệ thống

Trình bày quy trình hiện thực hóa thiết kế từ bản vẽ sang sản phẩm thực tế:

  • Thiết kế và gia công mạch in PCB 2 lớp cho mạch điều khiển đèn và mạch giám sát.
  • Lập bảng danh mục 20 loại linh kiện sử dụng thực tế.
  • Trình bày quy trình hàn lắp linh kiện, đo kiểm tra thông mạch, kiểm tra mức nguồn ngõ ra ổn định $5\text{VDC}$ và $3.3\text{VDC}$.
  • Gia công cơ khí lắp gọn khối mạch vào bên trong bóng đèn LED bulb 30W và hộp bảo vệ cảm biến.
  • Trình bày lưu đồ giải thuật, cấu hình các feed trên Adafruit IO, kết nối Firebase Realtime Database và chi tiết các đoạn mã nguồn cấu hình WiFiManager.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Trình bày các kết quả thực nghiệm sau khi hoàn thiện chế tạo mô hình:

  • Bảng kết quả đo kiểm tra phần cứng cho thấy các mối hàn tiếp xúc tốt, không bị chạm chập đường mạch, điện áp cấp vào ESP8266 và cảm biến đạt chuẩn $3.3\text{VDC}$ và $5\text{VDC}$.
  • Mạch công suất hoạt động ổn định ở mức điện áp $210\text{VDC}$, MOSFET IRF830 mở cổng tốt, không bị nóng trong quá trình điều khiển độ sáng.
  • Ứng dụng Android và trợ lý ảo Google Assistant thực thi chính xác các chức năng điều khiển, phản hồi trạng thái, cập nhật dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm và kích hoạt báo động khi có chuyển động.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu, xác nhận hệ thống hoạt động ổn định và đề xuất các giải pháp nâng cấp, mở rộng đề tài trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đo kiểm và thử nghiệm thực tế

Toàn bộ hệ thống phần cứng và phần mềm đã được thi công và thử nghiệm đạt các yêu cầu kỹ thuật:

Hạng mục kiểm tra Yêu cầu thiết kế Kết quả thực nghiệm ghi nhận
Mạch in và mối hàn Không ngắn mạch, tiếp xúc tốt Mối hàn tiếp xúc tốt, đường mạch PCB 2 lớp không chạm chập
Điện áp cấp AMS1117 Ngõ vào 5VDC, ngõ ra 3.3VDC Điện áp ngõ ra đo được đúng 3.3VDC ổn định
Điện áp cấp cảm biến Nguồn 5VDC Nguồn cấp cho DHT11 và PIR đạt đúng 5VDC
Tải công suất đèn Điều chỉnh độ sáng đèn 30W Điện áp 210VDC, MOSFET IRF830 đóng ngắt ổn định, không bị phát nhiệt
Khối truyền thông Thu phát Wi-Fi, kết nối AP ESP8266 phát Wi-Fi AP 192.168.4.1 cấu hình tốt; kết nối MQTT và Firebase thông suốt
Đọc dữ liệu cảm biến Thu thập nhiệt độ, độ ẩm, PIR ESP8266 đọc chính xác dữ liệu từ DHT11 và tín hiệu chuyển động từ PIR AM312

Giải pháp kỹ thuật và đóng góp của đề tài

  1. Giải pháp đóng gói phần cứng: Tận dụng trực tiếp nguồn công suất $210\text{VDC}$ sẵn có của đèn thương phẩm kết hợp module nguồn xung $5\text{V}-700\text{mA}$ nhỏ gọn, giúp toàn bộ mạch điều khiển và vi điều khiển nằm gọn bên trong bóng đèn LED bulb 30W, bảo đảm tính thẩm mỹ và dễ dàng lắp đặt vào hệ thống điện sẵn có mà không cần đi lại dây.
  2. Cơ chế cấu hình mạng thông minh: Tích hợp thành công giải thuật WiFiManager, cho phép người dùng thay đổi thông tin mạng Wi-Fi tại địa chỉ 192.168.4.1 khi di chuyển thiết bị sang vị trí mới mà không cần nạp lại mã nguồn.
  3. Cải tiến so với công trình trước: Bổ sung khả năng điều chỉnh độ sáng đèn tuyến tính 10 mức bằng giọng nói tiếng Việt qua Google Assistant, tích hợp tính năng lập lịch hẹn giờ và hiển thị cảnh báo an ninh - môi trường trực tiếp trên ứng dụng di động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của hệ thống

  • Giới hạn phần cứng: Hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm hỗ trợ điều khiển 2 bóng đèn công suất 30W; cảm biến DHT11 có dải đo và độ chính xác ở mức phổ thông.
  • Phụ thuộc hạ tầng đám mây: Sử dụng tài khoản Firebase gói miễn phí nên bị giới hạn lưu lượng (1GB) và giới hạn tối đa 100 thiết bị kết nối đồng thời.
  • Hạn chế từ nền tảng Google Assistant: Mặc dù trợ lý ảo nhận diện câu lệnh tiếng Việt rất tốt, nhưng các câu phản hồi trạng thái đối với thiết bị nhà thông minh đôi khi vẫn trả về bằng tiếng Anh; một số câu hỏi phức tạp chưa đưa ra phản hồi trực tiếp mà chuyển sang kết quả tìm kiếm Google Search.
  • Tính phụ thuộc kết nối: Quá trình điều khiển và đồng bộ dữ liệu phụ thuộc hoàn toàn vào đường truyền mạng Internet (Wi-Fi/3G), khi mất mạng người dùng không thể can thiệp trạng thái từ xa.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp

  • Mở rộng số lượng node thiết bị trong gia đình, hỗ trợ điều khiển nhiều loại tải công suất và thiết bị gia dụng khác nhau.
  • Nâng cấp hệ thống cảm biến công nghiệp có độ chính xác cao hơn; xây dựng cơ sở dữ liệu trên máy chủ riêng (Private Server) để không bị giới hạn số lượng kết nối và dữ liệu.
  • Hoàn thiện thuật toán xử lý cục bộ (Local Control) cho phép các thiết bị tự động tương tác và điều khiển lẫn nhau thông qua mạng nội bộ khi mất kết nối Internet.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo ứng dụng đối với:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Công nghệ Thông tin và Kỹ thuật Mạng / IoT.
  • Nội dung tham khảo chuyên sâu:
    • Phương pháp tính toán và thiết kế tầng công suất đóng cắt điện áp một chiều cao ($210\text{VDC}$) bằng MOSFET IRF830 sử dụng xung PWM cách ly qua Opto PC817.
    • Kỹ thuật lập trình kết hợp song song giao thức MQTT (Adafruit IO) phục vụ điều khiển bằng giọng nói qua trợ lý ảo và cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase Realtime Database.
    • Quy trình thiết kế mạch in PCB 2 lớp kích thước nhỏ gọn và giải pháp tích hợp phần cứng vào không gian vỏ đèn dân dụng.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống xử lý như thế nào khi mất kết nối mạng Wi-Fi hoặc khi chuyển sang vị trí lắp đặt mới? Khi bị mất kết nối Wi-Fi đột ngột, đèn vẫn giữ nguyên trạng thái hoạt động hiện tại (sáng hoặc tắt) và vi điều khiển sẽ chuyển sang trạng thái chờ kết nối lại. Khi chuyển sang môi trường mạng mới không có thông tin cấu hình cũ, ESP8266 tự động chuyển sang chế độ Access Point và phát mạng Wi-Fi có tên riêng (ví dụ: "light 1"). Người dùng dùng điện thoại kết nối vào mạng này và truy cập địa chỉ IP 192.168.4.1 để thiết lập lại tên mạng và mật khẩu Wi-Fi mới mà không cần can thiệp vào mã nguồn.

2. Khối công suất điều khiển độ sáng bóng đèn LED 30W được thiết kế và tính toán như thế nào? Khối công suất sử dụng nguồn cấp sẵn có của đèn với điện áp không tải $210\text{VDC}$. Tấm LED có dòng tiêu thụ tối đa $266.6\text{mA}$ và điện áp tối đa $109.7\text{VDC}$. Để điều khiển, nhóm sử dụng MOSFET IRF830 (chịu áp $500\text{V}$, dòng $5\text{A}$) được kích bằng xung PWM tần số $1\text{kHz}$ từ chân GPIO5 của ESP8266. Nhằm bảo đảm an toàn và cách ly điện thế, xung PWM được truyền qua Opto cách ly quang PC817 với điện trở phân áp tính toán $100\Omega$.

3. Vì sao tác giả lựa chọn IC ổn áp AMS1117-3.3V và module nguồn xung 5VDC-700mA? Vi điều khiển ESP8266 tiêu thụ dòng lớn nhất khoảng $170\text{mA}$ ở các chế độ thu phát mạng, kết hợp với các linh kiện phụ trợ (Opto, LED báo, cảm biến) đưa tổng dòng tiêu thụ của mạch lên khoảng $300\text{mA}$. IC AMS1117-3.3V đáp ứng dòng ra lên đến $800\text{mA}$, bảo đảm hạ áp ổn định từ nguồn 5V xuống 3.3V mà không bị sụt áp. Module nguồn xung $5\text{V}-700\text{mA}$ được chọn vì có dải áp vào rộng ($90-230\text{VAC}$), dòng ngõ ra $700\text{mA}$ (dư tải so với mức $300\text{mA}$ yêu cầu), có tính năng bảo vệ ngắn mạch và kích thước nhỏ gọn để lắp vừa trong vỏ đèn.

4. Luồng truyền dữ liệu giữa trợ lý ảo Google Assistant, Firebase và thiết bị phần cứng diễn ra như thế nào? Khi người dùng ra lệnh bằng giọng nói tiếng Việt qua Google Assistant, dữ liệu được truyền tới máy chủ môi giới Adafruit IO MQTT (io.adafruit.com). Vi điều khiển ESP8266 đăng ký nhận dữ liệu từ các Feed của Adafruit IO sẽ xử lý câu lệnh, thay đổi trạng thái chân xuất xung PWM điều khiển MOSFET, đồng thời cập nhật dữ liệu trạng thái ngược lên Firebase Realtime Database. Ngược lại, khi điều khiển qua ứng dụng Android, lệnh được ghi trực tiếp lên Firebase và ESP8266 sẽ đọc dữ liệu từ Firebase về để thực thi.

5. Ứng dụng Android của đề tài được cấu trúc gồm những màn hình chức năng nào? Phần mềm Android gồm 3 Activity:

  • Giao diện 1: Điều khiển bật/tắt độc lập 2 đèn bằng Switch, điều chỉnh độ sáng tuyến tính bằng thanh trượt SeekBar và hiển thị trạng thái hoạt động thực tế.
  • Giao diện 2: Hiển thị thông số nhiệt độ, độ ẩm đo được từ cảm biến DHT11 và hình ảnh cảnh báo an toàn hoặc nguy cơ khi phát hiện trộm (từ PIR) hoặc nhiệt độ cao.
  • Giao diện 3: Cung cấp giao diện đồng hồ đồ họa để cài đặt lịch trình hẹn giờ bật/tắt tự động cho từng thiết bị đèn.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã nghiên cứu, thiết kế và thi công hoàn chỉnh hệ thống điều khiển thiết bị điện và giám sát an ninh - môi trường thông qua trợ lý ảo Google Assistant và ứng dụng Android. Hệ thống giải quyết tốt bài toán điều chỉnh độ sáng đèn LED 30W tuyến tính, tự động hóa đóng ngắt theo thời gian thực và tích hợp cảnh báo chuyển động, nhiệt độ, độ ẩm một cách trực quan qua cơ sở dữ liệu đám mây Firebase và giao thức MQTT. Mặc dù còn giới hạn về số lượng tải mô phỏng và phụ thuộc vào đường truyền Internet, công trình đã thể hiện giải pháp kỹ thuật mạch phần cứng nhỏ gọn, tối ưu và mang tính ứng dụng thực tiễn cao trong lĩnh vực nhà thông minh.