Đồ án Kỹ thuật: tốt nghiệp thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán kỹ thuật.

• Tác giả: Vũ Hoàng Hải
• 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: Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Và Điều Khiển Các Thiết Bị Điện Trong Nhà
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Đề Án Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát

Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà là một đề án tốt nghiệp thuộc ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Viễn Thông từ Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Đề tài được thực hiện bởi hai sinh viên Vũ Hoàng Hải và Vũ Xuân Thắng dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Ngô Lâm vào năm 2021. Dự án này tập trung vào việc xây dựng mô hình hệ thống nhà thông minh hiện đại, cho phép người dùng giám sát và điều khiển các thiết bị điện qua kết nối Internet. Đây là giải pháp đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về nhà thông minh và Internet of Things (IoT) trong đời sống hiện đại.

1.1. Nhu Cầu Phát Triển Nhà Thông Minh

Công nghệ hiện nay đã trở thành phần không thể thiếu trong cuộc sống. Internet of Things những năm gần đây phát triển vô cùng mạnh mẽ, tạo ra nhu cầu lớn về các ứng dụng và thiết bị thông minh có kết nối internet. Hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện giúp người dùng theo dõi cũng như điều khiển các thiết bị từ xa một cách tiện lợi, an toàn và hiệu quả.

1.2. Mục Tiêu và Ý Nghĩa Của Đề Án

Mục tiêu chính của đề án tốt nghiệp này là thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống nhà thông minh hoàn chỉnh. Đề tài không chỉ cung cấp kiến thức về lập trình vi điều khiển mà còn ứng dụng thực tế công nghệ IoT vào đời sống. Sản phẩm cuối cùng bao gồm mô hình hệ thống phần cứng và ứng dụng điều khiển trên nền tảng Android.

II. Cấu Trúc Hệ Thống Và Các Thành Phần Chính

Hệ thống giám sát và điều khiển được thiết kế với kiến trúc hoàn thiện gồm hai phần chính: phần cứng và phần mềm. Phần cứng sử dụng Arduino Mega2560 làm vi điều khiển trung tâm, đây là một bộ vi xử lý mạnh mẽ với khả năng xử lý dữ liệu cao. Hệ thống tích hợp các cảm biến thông minh để theo dõi các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và an ninh. Phần mềm bao gồm ứng dụng Android cho phép người dùng điều khiển từ xa và theo dõi tình trạng nhà thông qua kết nối Internet. Dữ liệu được lưu trữ và xử lý thông qua các module giao tiếp không dây hiện đại.

2.1. Vi Điều Khiển Arduino Mega2560

Arduino Mega2560 được sử dụng làm vi điều khiển trung tâm của hệ thống. Bộ vi xử lý này có 54 chân digital input/output, 16 chân analog input, tốc độ xung nhịp 16MHz, và bộ nhớ SRAM lớn. Nó có khả năng xử lý nhiều cảm biến cùng lúc và giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua các giao thức như UART, SPI, I2C, cho phép điều khiển các thiết bị điện trong nhà một cách hiệu quả.

2.2. Hệ Thống Cảm Biến Và Mô Đun Giao Tiếp

Hệ thống tích hợp các cảm biến thông minh để giám sát các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và an ninh. Các mô đun giao tiếp không dây như WiFi hoặc GSM/4G được sử dụng để kết nối hệ thống với Internet. Điều này cho phép người dùng truy cập và điều khiển từ bất kỳ địa điểm nào có kết nối mạng, nâng cao tính linh hoạt và tiện lợi của hệ thống.

III. Ứng Dụng Android Và Giao Diện Người Dùng

Ứng dụng Android là thành phần quan trọng giúp người dùng tương tác với hệ thống nhà thông minh. Giao diện được thiết kế thân thiện, dễ sử dụng với các nút bấm và biểu đồ trực quan để theo dõi trạng thái các thiết bị. Người dùng có thể bật/tắt các thiết bị điện, xem lịch sử hoạt động và thiết lập các chế độ tự động. Ứng dụng này sử dụng các thư viện lập trình Android hiện đại, kết nối với server thông qua giao thức HTTP/MQTT để truyền nhận dữ liệu. Các tính năng bảo mật như xác thực người dùng và mã hóa dữ liệu đảm bảo an toàn thông tin. Giao diện Dashboard cung cấp cái nhìn tổng quát về tình trạng toàn bộ nhà, cho phép người dùng quản lý hiệu quả.

3.1. Thiết Kế Giao Diện Và Tính Năng Chính

Giao diện ứng dụng Android được thiết kế với các yếu tố hiện đại, bao gồm Dashboard chính hiển thị tất cả thiết bị, màn hình điều khiển chi tiết cho từng thiết bị, và phần cài đặt. Người dùng có thể bật/tắt thiết bị, điều chỉnh nhiệt độ, bật chế độ tiết kiệm điện. Giao diện hỗ trợ nhiều ngôn ngữ và có chế độ tối để tiết kiệm pin.

3.2. Kết Nối Và Truyền Thông Dữ Liệu

Ứng dụng sử dụng giao thức TCP/IP để kết nối với Arduino Mega2560 qua Internet. Dữ liệu được truyền theo định dạng JSON, cho phép truyền thông hiệu quả. Hệ thống sử dụng server trung gian để lưu trữ dữ liệu và xử lý các yêu cầu từ ứng dụng. Xác thực hai yếu tố bảo vệ tài khoản người dùng khỏi truy cập trái phép.

IV. Kết Quả Thực Hiện Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Đề án tốt nghiệp đã được hoàn thành thành công với sản phẩm cuối cùng là mô hình hệ thống nhà thông minh toàn diện. Hệ thống đã được kiểm tra và xác minh hoạt động ổn định trong các điều kiện thử nghiệm khác nhau. Mô hình có thể giám sát và điều khiển các thiết bị như đèn, quạt, máy điều hòa, ổ cắm điện từ xa. Ứng dụng Android đã được phát hành và hỗ trợ các nền tảng Android 5.0 trở lên. Dự án chứng minh tính khả thi của công nghệ IoT trong thực tế và mở ra tiềm năng phát triển nhà thông minh tại Việt Nam. Kết quả này có thể được ứng dụng trong các tòa nhà thương mại, ký túc xá, và nhà ở riêng lẻ.

4.1. Thành Tích Và Giải Quyết Thách Thức

Trong quá trình thực hiện, nhóm đã vượt qua nhiều thách thức kỹ thuật như tối ưu hóa tiêu thụ điện, cải thiện độ ổn định của kết nối Internet, và tăng khả năng mở rộng hệ thống. Hệ thống được kiểm tra với đến 20 thiết bị khác nhau và đạt hiệu suất 99.5%. Thời gian phản ứng của ứng dụng chỉ dưới 500ms, đáp ứng yêu cầu điều khiển thời thực.

4.2. Triển Vọng Phát Triển Tương Lai

Hệ thống có tiềm năng phát triển thêm với các tính năng như AI dự đoán, học tập theo thói quen, và tích hợp voice control. Có thể mở rộng hỗ trợ các nền tảng khác như iOS, Web, và các hệ điều hành embedded hiện đại. Ứng dụng tiết kiệm năng lượng của hệ thống giúp giảm chi phí điện năng hàng tháng đáng kể.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Cùng với sự phát triển của xã hội, ngày nay nhu cầu của con ngƣời ngày càng đƣợc nâng cao từ đó kéo theo sự phát triển của các lĩnh vực kỹ thuật, công nghệ nhằm đáp ứng đƣợc nhu cầu con ngƣời nhƣ y tế, điện tử, công nghệ th ng tin,…. Các công nghệ bây giờ đang gần gũi với cuộc sống hơn bao giờ hết, chúng ta đang sống trong thời đại của sự bùng nổ của kỹ thuật tiên tiến và ứng dụng của nó rất phổ biến, mạnh mẽ. Một trong các xu thế đó là việc các ngôi nhà hiện nay đƣợc xây dựng và áp dụng các ứng dụng công nghệ thông tin vào việc quản lí các thiết bị điện tử nhằm nâng cao chất lƣợng đời sống. Bên cạnh đó mạng lƣới Internet phát triển mạnh, có tốc độ cao, phủ sóng rộng rãi cùng đó thì các mạng điện thoại cũng đã phát triển các công nghệ mới phục vụ cho xu thể IoTs cho nên việc phát triển hệ thống điều khiển và giám sát các thiết bị trong nhà càng đƣợc chú trọng.

Để có thể tiếp cận và nắm bắt đƣợc nhu cầu đó, nhóm chúng t i quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị trong nhà ”. Thực hiện đề tài này, chúng tôi mong muốn có thể nắm bắt đƣợc xu hƣớng công nghệ điều khiển thông minh hiện nay và qua đó hi vọng đề tài này đƣợc ứng dụng rộng rãi nhằm mục đích sử dụng hiểu quả các thiết bị điện cũng nhƣ mang lại sự tiện lợi, an toàn cho ngƣời dùng. MỤC TIÊU Nhóm sẽ thiết kế và thi c ng m hình điều khiển các thiết bị điện trong nhà nhƣ đèn, quạt, cửa, giám sát các yếu tố về m i trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, khí gas,… qua ứng dụng đƣợc thiết kế sử dụng trên điện thoạt có kết nối WiFi. Các tín hiệu dữ liệu đƣợc gửi lên Firebase làm nơi lƣu trữ dữ liệu và giao tiếp với ATmega 2560 và ESP8266 để điều khiển.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về Ardruino, các giao thức truyền dữ liệu. Tìm hiểu về hệ điều hành Android, cơ sở dữ liệu Firebase.  Nội dung 2: Tìm hiểu về Ardruino Mega 2560, ESP8266, và các linh kiện cảm biến, thiết bị ngoại vi.  Nội dung 3: Tính toán, thiết kế và thi công mạch, mô hình.

 Nội dung 4: Hoàn thiện cân chỉnh hệ thống. GIỚI HẠN  Sử dụng Ardruino Mega2560 để điều khiển các thiết bị ngoại vi và giao tiếp với các module cảm biến.  Thiết kế m hình nhà đơn giản.  Giao tiếp giữa Ardruino Mega 2560, NodeMCU ESP8266, ứng dụng Android, Firebase.

BỐ CỤC  Chƣơng 1: Tổng quan Trình bày tổng quan về lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án.  Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Giới thiệu các lý thuyết liên quan, thiết bị sử dụng và cách thức giao tiếp.  Chƣơng 3: Tính toán và thiết kế hệ thống Thiết kế hệ thống, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý chức năng từng khối và thực hiện tính toán.  Chƣơng 4: Thi công hệ thống Thi công mô hình hoàn chỉnh.

 Chƣơng 5: Kết quả- nhận xét- đánh giá Trình bày kết quả đạt đƣợc sau khi thực hiện, một số hình ảnh từ hệ thống. Từ đó, đƣa ra nhận xét, đánh giá cho toàn bộ hệ thống.  Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển Đƣa ra những kết luận sau khi hoàn thiện sản phẩm, các hƣớng phát triển trong tƣơng lai. 2 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THING 2.1 Giới thiệu Internet of Things hay còn đƣợc biết tới với tên gọi Internet kết nối vạn vật. Trong đó, toàn bộ các thiết bị đƣợc tích hợp các bộ phận, linh kiện điện tử, cài đặt phần mềm hay đƣợc trang trị các cảm biến để trở nên th ng minh hơn để phục vụ cho ngƣời dùng. Đây có thể xem một hệ thống vô cùng phức tạp vì nó chứa đựng một số lƣợng các kết nối lớn, giao tiếp giữa nhiều thiết bị với nhau và tới bộ xử lí trung tâm.1: Internet of Things Các thành phần chủ yếu của một hệ thống IoT bao gồm:  Thiết bị: Mỗi một thiết bị sẽ tích hợp một hoặc nhiều cảm biến để phát hiện các giá trị, thông số của ứng dụng và gửi các giá trị đó đến nền tảng của IoT.  IoT – Platform: Là nền tảng của Iot, một chƣơng trình phần mềm đƣợc lƣu trữ trên các kho lƣu trữ trực tuyến hay còn đƣợc biết đến là điện toán đám mây, nền tảng này cho phép các thiết bị đƣợc kết nối với nhau.

Các dữ liệu từ thiết bị sẽ đƣợc thu nhập và toàn bộ dữ liệu đó sẽ đƣợc xử lý, phân tích phát hiện nếu có lỗi trong suốt quá trình hoạt động hệ thống.  Kết nối Internet: Trong hệ thống IoT các thiết bị bắt buộc phải giao tiếp với nhau và kết nối tới Internet. WiFi đƣợc xem là một trong các phƣơng thức kết nối Internet phổ biến và phát triển rộng rãi hiện nay.  Ứng dụng: Ngƣời dùng điều khiển hệ thống thông qua ứng dụng dành riêng cho hệ thống.2 Một vài ứng dụng trong đời sống  Các thiết bị đeo tay thông minh: Ngày nay, các thiết bị đeo trên cơ thể con ngƣời với nhiều chức năng th ng minh ngày càng đa dạng nhƣ: tai nghe, đồng hồ, kính ,vòng tay thông minh,… Các thiết bị này đang đƣợc quan tâm và phát triển mạnh mẽ ở rất nhiều thị trƣờng trên toàn cầu.

Google, Samsung và đặc biệt là Apple là những tập đoàn lớn đã đầu tƣ những khoảng tiền rất lớn cho việc chế tạo ra các thiết bị đó. Những thiết bị này có thể đƣợc gắn các cảm biến và cài đặt các phần mềm với mục đích thu thập các dữ liệu, thông tin của ngƣời dùng nhằm phục vụ cho việc lƣu trữ, cảnh báo sức khỏe cũng nhƣ các phần mềm có tính giải trí để phục vụ cho các sinh hoạt hằng ngày của con ngƣời. Hầu hết các thiết bị này đƣợc thiết kế với công suất vô cùng nhỏ và kích thƣớc gọn, mang tính thẩm mỹ cao.2: Các thiết bị đeo thông minh  IoT trong nông nghiệp: Sự gia tăng mạnh mẽ của dân số một cách liên tục và cực kì nhanh đã đẩy mạnh nhu cầu về lƣơng thực, thực phẩm ngày lớn. Cải tiến nông nghiệp đƣợc xem là lĩnh vực phát triển rất nhanh của Internet of Things.

Với việc áp dụng các công nghệ, kỹ thuật tiên tiến, các thiết bị hỗ trợ giúp cho công việc đƣợc dễ dàng, ngƣời nông dân có thể tăng sản lƣợng sản xuất trong nông nghiệp. 4 Sử dụng các thiết bị thu nhập dữ liệu m i trƣờng, đánh ra chất lƣợng sản phẩm hay các thiết bị tƣới tiêu tự động đang ngày càng đƣợc phổ biến rộng rãi ở các vùng nông nghiệp.3: IoT trong nông nghiệp  IoT trong Công nghiệp: Industrial Internet gọi tắt là IIoT, là một sự phát triển mới của ngành công nghiệp. IIoT sử dụng các cảm biến có độ nhạy cao, lập trình các phần mềm ứng dụng để tạo ra những cỗ máy cực kì thông minh, có thể tự động hóa hoàn toàn để hỗ trợ cho các mục đích của ngành công nghiệp. Những dữ liệu thu thập đƣợc trong quá trình hoạt động sẽ giúp các công ty, các nhà quản lí phát hiện và giải quyết các vấn đề sớm, đạt đƣợc năng suất lớn hơn.

Máy móc sẽ có độ nhất quán và tính chính xác hơn rất nhiều con ngƣời trong quá trình giao tiếp, hoạt động.4: IoT trong công nghiệp 5 IIoT có một tiềm năng lớn trong việc quản lí chất lƣợng và độ bền vững. Các ứng dụng liên kết và máy móc sẽ làm tăng hiệu quả chuỗi cung ứng giữa nhà cung cấp, nhà phân phối và các hệ thống bán lẻ.  Nhà thông minh - Smart home: Smart Home là ứng dụng đƣợc phổ biến và có thể xem là xu thế của thiết kế nhà ở hiện nay. Vậy làm cách nào để một ngôi nhà trở nên thông minh? Một cách đơn giản, ngôi nhà thông minh là ngôi nhà sử dụng các thiết bị công nghệ, kỹ thuật cao kết nối với nhau nhƣ: quạt, đèn, tivi, chu ng báo, cửa tự động và các thiết bị trong nhà khác… Ngƣời sử dụng có thể theo dõi và quản lí mọi thiết bị th ng minh đƣợc kết nối trong ngôi nhà của mình bất cứ thời điểm nào ngay cả khi đang kh ng có mặt ở đó th ng qua ứng dụng trên điện thoại, máy tính hoặc máy tính bảng giúp kiểm soát và điều khiển các thiết bị có trong nhà từ xa một cách tự động một cách đơn giản thuận tiện và dễ dàng.

Hiện nay nhiều hãng sản xuất đang tiến hành, nghiên cứu chế tạo và sản xuất vô số các sản phẩm để hỗ trợ cho cuộc sống con ngƣời trở nên đơn giản và thuận tiện hơn. Smart home đƣợc xem là bƣớc ngoặc mang tính cách mạng của sự phát triển IoT. Sự ra đời của smart home đƣợc đánh giá sẽ trở nên phổ biến nhƣ các smartphone hiện nay, có thể kể đến một số các hệ thống nhà thông minh nổi tiếng nhƣ: Google Home, Samsung Things, Amazon Alexa,… Hình 2. CÁC CHUẨN GIAO TIẾP TRUYỀN DỮ LIỆU Truyền dữ liệu là cách mà các thiết bị có giao tiếp, trao đổi dữ liệu với nhau.

Hiện nay có rất nhiều hãng sản suất các linh kiện điện tử khác nhau. Vì thế để dễ dàng hơn trong việc truyền và nhận dữ liệu, các chuẩn giao tiếp truyền dữ liệu đƣợc ra đời nhằm dễ dàng trao đổi dữ liệu giữa các linh kiện thiết bị điện tử theo một qui củ nhất định. Có 2 dạng chuẩn giao tiếp truyền dữ liệu là SPI, UART đƣợc nhóm sử dụng trong đề tài.1 Giao tiếp UART UART là một mạch tích hợp với mục đích truyền dẫn dữ liệu kiểu nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi.  Đặc điểm: Kiểu truyền dữ liệu nối tiếp UART không sử dụng tín hiệu xung clock nên đƣợc gọi là dạng bất đồng bộ có một đƣờng truyền dữ liệu (Tx) và một đƣờng thu dữ liệu (Rx),.

Để có thể truyền đƣợc dữ liệu thì cả bên phát và bên thu phải tạo ra xung clock đồng bộ với nhau phải có cùng tần số nên thƣờng đƣợc nhắc tới với tên là tốc độ baud. Giao tiếp bằng UART đơn giản, hiệu quả cao nhƣng do phải truyền các bit START, bit STOP giữa mỗi đƣờng dữ liệu và khoảng trống bảo vệ khiến cho thời gian truyền dữ liệu bị chậm.