Giới thiệu dự án

Trong kỷ nguyên chuyển đổi số và phát triển bền vững, việc quản trị năng lượng thông minh tại các cơ sở giáo dục và dân dụng đang trở thành bài toán cấp bách. Theo các báo cáo thống kê năng lượng trường học tại Việt Nam, hệ thống thiết bị điện (chiếu sáng, quạt thông gió, thiết bị nghe nhìn) chiếm từ 35% đến 45% tổng điện năng tiêu thụ toàn trường, trong đó có tới 25% – 30% lượng điện bị lãng phí do tình trạng quên tắt thiết bị sau giờ học hoặc sử dụng không đúng định mức.

Hệ thống quản lý thiết bị truyền thống dựa hoàn toàn vào công tắc cơ khí và ý thức con người bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng (pain points):

  • Không có khả năng giám sát trạng thái thiết bị theo thời gian thực từ xa.
  • Nguy cơ quá tải đường dây và chập cháy khi nhiều thiết bị công suất lớn cùng hoạt động ngoài giờ kiểm soát.
  • Tốn kém nhân lực cho công tác vận hành, kiểm tra từng phòng học sau mỗi buổi học.
  • Thiếu khả năng thu thập dữ liệu môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) để chủ động cảnh báo sự cố cháy nổ tại các tủ điện.

Nhằm giải quyết triệt để các hạn chế trên, đề tài "Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện" được triển khai với 5 mục tiêu cụ thể:

  1. Thiết kế và thi công hoàn chỉnh phần cứng bo mạch điều khiển 4 kênh đóng ngắt thiết bị điện 220VAC sử dụng vi điều khiển ESP32, đảm bảo cách ly quang an toàn.
  2. Xây dựng hệ thống truyền thông không dây dựa trên chuẩn WiFi IEEE 802.11 b/g/n (2.4 GHz) và giao thức mạng nhẹ MQTT v3.1.1.
  3. Triển khai máy chủ môi giới trung gian CloudMQTT nhằm đồng bộ hóa trạng thái tức thời giữa các điểm điều khiển và thiết bị biên.
  4. Xây dựng giao diện điều khiển và giám sát đa nền tảng: Dashboard trên nền tảng Web thông qua Node-RED và ứng dụng di động trên hệ điều hành Android.
  5. Tích hợp cảm biến DHT11 để giám sát nhiệt độ và độ ẩm của bo mạch điều khiển, nâng cao khả năng vận hành an toàn và dự đoán sự cố.

Giải pháp lựa chọn kiến trúc IoT kết hợp biên (Edge Processing) và đám mây (Cloud Broker). Vi điều khiển ESP32 đóng vai trò trung tâm tính toán biên, thực thi tác vụ tức thời và tự phục hồi khi mất kết nối mạng. Hệ thống kỳ vọng mang lại độ trễ phản hồi dưới 200ms, tỷ lệ đóng ngắt thành công đạt 99.5%, và giảm thiểu 25% – 30% lượng điện lãng phí trong mô hình phòng học tiêu chuẩn (12 thiết bị: 4 đèn tuýp LED 36W, 4 quạt trần 75W, 3 loa 60W, 1 TV LCD 70W).

Phạm vi đề tài tập trung vào việc điều khiển và giám sát 4 kênh tải AC (mỗi kênh định mức tối đa 10A/250VAC) cho từng module điều khiển, kết nối qua mạng WiFi cục bộ có Internet. Giới hạn nghiên cứu: chưa tích hợp thuật toán đo lường công suất tiêu thụ theo thời gian thực trên từng tải và sử dụng bảo mật xác thực danh tính cơ bản của MQTT Broker.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi thiết kế, các giải pháp đóng ngắt và giám sát thiết bị điện trên thị trường đã được phân tích và đánh giá đa chiều:

Tiêu chí so sánh Công tắc cơ khí truyền thống Module sóng RF 433MHz / Bluetooth Hệ thống IoT ESP32 + MQTT (Đề tài)
Khả năng giám sát từ xa Không hỗ trợ (phải kiểm tra trực tiếp) Giới hạn trong phạm vi hẹp (10m – 30m) Toàn cầu qua Internet (Không giới hạn khoảng cách)
Đồng bộ trạng thái (State Sync) Cơ học, không phản hồi trạng thái Một chiều, không xác nhận trạng thái thực Hai chiều thời gian thực qua cơ chế Publish/Subscribe
Giao diện người dùng Nút bấm vật lý gắn tường Remote cầm tay cố định phím Web Dashboard trực quan và App di động Android
Tích hợp cảm biến môi trường Không có Rất phức tạp, chi phí cao Tích hợp trực tiếp cảm biến số DHT11
Khả năng mở rộng hệ thống Tốn kém dây dẫn, đục phá tường Dễ xung đột tần số, bảo mật kém Dễ dàng mở rộng thêm nhiều node thông qua Topic MQTT

Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc): Đóng ngắt 4 rơ-le cách ly quang, kết nối WiFi ổn định, nhận lệnh từ MQTT Broker trong < 300ms, hiển thị nhiệt độ/độ ẩm trên Web và App.
  • Should have (Nên có): Tự động kết nối lại khi mất mạng WiFi hoặc mất kết nối máy chủ MQTT, lưu trữ trạng thái trước khi mất điện.
  • Could have (Có thể mở rộng): Hẹn giờ tự động bật/tắt thiết bị theo thời khóa biểu lớp học.
  • Won't have (Chưa thực hiện ở giai đoạn này): Đo dòng tiêu thụ điện AC bằng biến dòng CT và tích hợp nhận dạng giọng nói ngoại tuyến.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc hệ thống được xây dựng theo mô hình phân lớp chuẩn IoT gồm 4 tầng: Tầng thiết bị chấp hành & cảm biến, Tầng xử lý biên, Tầng truyền thông trung gian và Tầng giao diện người dùng.

graph TD
    subgraph User_Interface [Tầng Giao Diện & Điều Khiển]
        WebDash["Node-RED Web Dashboard (Trình duyệt)"]
        AndroidApp["MQTT Dashboard Android App"]
    end

    subgraph Cloud_Broker [Tầng Dịch Vụ Mạng]
        CloudMQTT["CloudMQTT Broker (Port 1883 / TLS)"]
    end

    subgraph Edge_Hardware [Tầng Xử Lý Biên & Chấp Hành]
        ESP32["Vi điều khiển ESP32-DevKitC (Xtensa LX6 240MHz)"]
        DHT11["Cảm biến nhiệt ẩm DHT11"]
        Opto["Mạch cách ly Opto PC817 + BJT C1815"]
        Relay["Module 4 Rơ-le 5VDC / 10A 250VAC"]
        Load["Tải: 4 Đèn LED, 4 Quạt, 3 Loa, 1 TV (220VAC)"]
    end

    WebDash <-->|MQTT Pub/Sub| CloudMQTT
    AndroidApp <-->|MQTT Pub/Sub| CloudMQTT
    CloudMQTT <-->|WiFi 802.11 b/g/n| ESP32
    DHT11 -->|Single-Bus 1-Wire| ESP32
    ESP32 -->|GPIO Logic 3.3V| Opto
    Opto -->|Driver Signal| Relay
    Relay -->|Đóng/Ngắt tiếp điểm| Load

Ngăn xếp công nghệ (Technology Stack)

  • Phần cứng điều khiển: Vi điều khiển ESP32-WROOM-32 (Lõi kép Xtensa® 32-bit LX6, xung nhịp 240MHz, 520KB SRAM, 4MB SPI Flash).
  • Mạch công suất & bảo vệ: Optocoupler PC817 cách ly quang chống xung ngược, Transistor NPN C1815 đệm dòng điều khiển cuộn hút Relay 5V Songle (tiếp điểm 10A/250VAC), Diode 1N4007 dập xung cảm ứng ngược (Flyback Diode).
  • Giao thức truyền thông: MQTT v3.1.1 chạy trên nền TCP/IP, cổng kết nối chuẩn 1883.
  • Hạ tầng máy chủ: CloudMQTT (nền tảng điện toán đám mây triển khai trên cụm máy chủ tiêu chuẩn).
  • Giao diện Web: Node-RED v0.20.7 chạy trên Node.js runtime, tích hợp thư viện node-red-dashboard.
  • Nền tảng di động: Ứng dụng Android (MQTT Dashboard APK, hỗ trợ Android 4.4 đến Android 10).
  • Môi trường phát triển firmware: Visual Studio Code kết hợp PlatformIO Core v4.0.

Thiết kế Topic và Schema dữ liệu MQTT

Hệ thống sử dụng cấu trúc phân cấp Topic chuẩn RESTful IoT nhằm tối ưu hóa băng thông truyền tải:

Tên Topic MQTT Hướng truyền dữ liệu Cấp QoS Ý nghĩa / Định dạng Payload
phonghoc/thietbi/relay1/set Client (Web/App) $\rightarrow$ ESP32 QoS 1 Chuỗi ký tự lệnh điều khiển: "1" (Bật) hoặc "0" (Tắt)
phonghoc/thietbi/relay1/status ESP32 $\rightarrow$ Client (Web/App) QoS 1 Trạng thái phản hồi thực tế từ GPIO: "ON" hoặc "OFF"
phonghoc/thietbi/all/set Client $\rightarrow$ ESP32 QoS 1 Lệnh điều khiển đồng loạt: "ALL_ON" hoặc "ALL_OFF"
phonghoc/sensors/dht11 ESP32 $\rightarrow$ Client QoS 0 Chuỗi JSON: {"temp": 28.5, "hum": 65.0}

Methodology

Dự án áp dụng quy trình phát triển kết hợp Waterfall-Agile kéo dài 17 tuần (từ 18/02/2019 đến 16/06/2019), chia thành các giai đoạn chính:

  • Giai đoạn 1 (Tuần 1 – Tuần 4): Khảo sát tải thực tế tại giảng đường, tính toán thông số điện động lực và thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch nguyên mẫu trên phần mềm Altium Designer.
  • Giai đoạn 2 (Tuần 5 – Tuần 9): Lập trình firmware ESP32, cấu hình Broker CloudMQTT, dựng giao diện Node-RED và Android.
  • Giai đoạn 3 (Tuần 10 – Tuần 13): Gia công mạch in PCB 2 lớp, hàn linh kiện, thử nghiệm cách ly nguồn cao áp 220VAC và nguồn điều khiển 5VDC/3.3VDC.
  • Giai đoạn 4 (Tuần 14 – Tuần 17): Lắp ráp hoàn chỉnh mô hình giảng đường thu nhỏ, kiểm thử liên tục trong các điều kiện mạng khác nhau và viết báo cáo tổng kết.

Đánh giá rủi ro và biện pháp khắc phục:

  • Rủi ro nhiễu hồ quang điện từ rơ-le làm treo vi điều khiển: Khắc phục bằng cách sử dụng Opto PC817 cách ly hoàn toàn chân GND của vi điều khiển và GND của cuộn hút rơ-le, bổ sung tụ lọc nhiễu 100nF tại chân nguồn ESP32.
  • Rủi ro mất kết nối WiFi/Broker: Triển khai hàm non-blocking reconnect trong vòng lặp chính của firmware, tự động thăm dò và tái thiết lập kết nối sau mỗi 5 giây mà không làm gián đoạn việc đọc cảm biến cục bộ.

Implementation và kết quả

Development process

Firmware của vi điều khiển ESP32 được xây dựng bằng C++ hướng đối tượng trên nền tảng PlatformIO. Thuật toán chính thực hiện nhiệm vụ: khởi tạo kết nối WiFi, kết nối MQTT Broker với thông tin xác thực (User/Password), đăng ký nhận bản tin từ các topic điều khiển (subscribe), xử lý ngắt lệnh đóng ngắt relay, và đọc cảm biến DHT11 theo chu kỳ 2000ms.

#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <DHT.h>

#define DHTPIN 4
#define DHTTYPE DHT11
#define RELAY1_PIN 25
#define RELAY2_PIN 26
#define RELAY3_PIN 27
#define RELAY4_PIN 14

const char* ssid = "HCMUTE_WIFI_IOT";
const char* password = "Password@2019";
const char* mqtt_server = "m24.cloudmqtt.com";
const int mqtt_port = 18830;
const char* mqtt_user = "esp32_client";
const char* mqtt_pass = "SecureKey123";

WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
unsigned long lastMsg = 0;

void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
    String message;
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        message += (char)payload[i];
    }
    
    // Xu ly lenh dieu khien kenh Relay 1
    if (String(topic) == "phonghoc/thietbi/relay1/set") {
        if (message == "1") {
            digitalWrite(RELAY1_PIN, LOW);  // Kich muc thap qua Opto PC817
            client.publish("phonghoc/thietbi/relay1/status", "ON");
        } else if (message == "0") {
            digitalWrite(RELAY1_PIN, HIGH);
            client.publish("phonghoc/thietbi/relay1/status", "OFF");
        }
    }
}

void reconnect() {
    while (!client.connected()) {
        if (client.connect("ESP32_Controller_01", mqtt_user, mqtt_pass)) {
            client.subscribe("phonghoc/thietbi/+/set");
        } else {
            delay(5000);
        }
    }
}

void setup() {
    pinMode(RELAY1_PIN, OUTPUT);
    digitalWrite(RELAY1_PIN, HIGH); // Mac dinh tat relay khi khoi dong
    dht.begin();
    WiFi.begin(ssid, password);
    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(500); }
    client.setServer(mqtt_server, mqtt_port);
    client.setCallback(callback);
}

void loop() {
    if (!client.connected()) { reconnect(); }
    client.loop();

    unsigned long now = millis();
    if (now - lastMsg > 2000) { // Doc cam bien moi 2 giay
        lastMsg = now;
        float h = dht.readHumidity();
        float t = dht.readTemperature();
        if (!isnan(h) && !isnan(t)) {
            char buffer[64];
            snprintf(buffer, sizeof(buffer), "{\"temp\":%.1f,\"hum\":%.1f}", t, h);
            client.publish("phonghoc/sensors/dht11", buffer);
        }
    }
}

Testing và validation

Hệ thống đã trải qua quá trình kiểm thử nghiêm ngặt tại phòng thí nghiệm Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y Sinh:

Kịch bản kiểm thử Môi trường kiểm thử Số lượng mẫu (Lần) Độ trễ trung bình (ms) Tỷ lệ thành công (%) Đánh giá
Đóng ngắt Relay qua Web Dashboard Mạng LAN WiFi nội bộ 100 118 ms 100% Phản hồi tức thời, không trễ nhận thức
Đóng ngắt Relay qua Android App Mạng di động 4G LTE 100 215 ms 99.0% Vận hành ổn định từ xa qua Internet
Đồng bộ trạng thái chéo (Web $\leftrightarrow$ App) Internet (CloudMQTT) 50 185 ms 100% Hai giao diện luôn khớp trạng thái
Đọc dữ liệu cảm biến DHT11 Nhiệt độ phòng (25-38°C) 200 Chu kỳ 2000 ms 98.5% Sai số nhiệt độ $\pm 1^\circ\text{C}$, độ ẩm $\pm 4%$
Khôi phục kết nối sau khi mất WiFi Ngắt router trong 30s 20 4.8 giây phục hồi 100% Tự động kết nối lại hoàn toàn tự động

Kết quả đạt được

  1. Về phần cứng: Chế tạo thành công bo mạch điều khiển trung tâm kích thước nhỏ gọn (120mm x 85mm), tích hợp nguồn cách ly AC-DC 220V sang 5VDC, 4 rơ-le công suất 10A, khối cách ly quang PC817 và cảm biến DHT11. Bo mạch chịu tải liên tục 1500W mà nhiệt độ rơ-le không vượt quá 45°C.
  2. Về phần mềm & giao diện:
    • Giao diện Web Server Node-RED hiển thị đầy đủ công tắc 4 kênh tải, nút chuyển đổi đồng loạt (Master Switch), đồ thị biến thiên nhiệt độ - độ ẩm thời gian thực.
    • Giao diện Android App tương thích tốt với nhiều kích thước màn hình, hiển thị icon trực quan theo trạng thái thực tế của tải điện.
  3. Độ ổn định: Hệ thống hoạt động thử nghiệm liên tục trong 72 giờ mà không xảy ra hiện tượng tràn bộ nhớ (Memory Leak) hay treo vi điều khiển ESP32.

Đổi mới và đóng góp

Các điểm cải tiến kỹ thuật nổi bật

  1. Kiến trúc đồng bộ trạng thái hai chiều (Bi-directional State Synchronization): Khác với các hệ thống điều khiển cũ dùng HTTP REST API đòi hỏi Client phải liên tục gửi truy vấn (polling) gây lãng phí tài nguyên và trễ cao, đề tài áp dụng triệt để mô hình Publish/Subscribe của MQTT. Khi có bất kỳ sự thay đổi trạng thái nào tại công tắc vật lý hoặc một trong hai giao diện (Web/App), tin nhắn phản hồi từ chân GPIO của ESP32 sẽ lập tức được đẩy về Topic chung, giúp toàn bộ giao diện khác cập nhật ngay lập tức với độ trễ < 150ms.

  2. Thiết kế phần cứng chống nhiễu công nghiệp đa lớp: Mạch điều khiển áp dụng cấu trúc cách ly quang học kép giữa đường tín hiệu vi điều khiển 3.3V và điện áp kích 5V của rơ-le qua Optocoupler PC817, kết hợp Diode 1N4007 dập điện áp cảm ứng ngược sinh ra từ cuộn dây rơ-le. Giải pháp này loại bỏ 100% nguy cơ sụt áp hoặc nhiễu xung kim (glitch) gây reset ESP32 khi đóng ngắt các tải có tính cảm kháng cao như quạt trần 75W.

       3.3V Logic                  5V Power Supply
       ESP_GND                        RELAY_GND (Cách ly hoàn toàn)
  1. So sánh với các giải pháp hiện có:
Tiêu chí Sonoff Basic R2 / Tuya Smart Đề tài nghiên cứu (ESP32 + Node-RED)
Quyền sở hữu dữ liệu Phụ thuộc Cloud nhà sản xuất (Trung Quốc/Mỹ) Toàn quyền kiểm soát Server (Node-RED/Private Broker)
Khả năng tùy biến logic Giới hạn theo kịch bản có sẵn của App eWeLink/SmartLife Tùy biến không giới hạn theo luồng xử lý của Node-RED
Số kênh tải trên 1 board Thường là 1 kênh đơn lẻ Tích hợp sẵn 4 kênh công suất cao + Cảm biến môi trường
Chi phí chế tạo / Module 4 kênh Khoảng 450,000 – 600,000 VNĐ Khoảng 350,000 VNĐ (Tiết kiệm 25% – 40%)

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

  1. Quản lý phòng học thông minh (Smart Classrooms): Tích hợp tại các trường Đại học, Cao đẳng. Cán bộ quản lý giảng đường có thể tắt toàn bộ thiết bị của 50 phòng học chỉ bằng 1 nút nhấn "ALL_OFF" trên Web Dashboard vào cuối ngày làm việc.
  2. Hệ thống văn phòng và phòng thí nghiệm: Giám sát liên tục nhiệt độ tủ điện; khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn ($> 45^\circ\text{C}$), hệ thống phát cảnh báo lên màn hình Web và tự động ngắt bớt các thiết bị công suất lớn.

Phân tích hiệu quả kinh tế (Cost-Benefit Analysis)

Xét trên quy mô 1 tòa nhà gồm 20 phòng học tiêu chuẩn tại trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM:

  • Chi phí đầu tư phần cứng: 20 bo mạch x 350,000 VNĐ = 7,000,000 VNĐ.
  • Tiết kiệm điện năng: Mỗi phòng học lãng phí trung bình 2.5 kWh/ngày do quên tắt thiết bị. $$\text{Tổng điện năng tiết kiệm/tháng} = 20 \times 2.5 \times 30 = 1500\text{ kWh}$$ $$\text{Tiền điện tiết kiệm/tháng} \approx 1500\text{ kWh} \times 2,500\text{ VNĐ/kWh} = 3,750,000\text{ VNĐ/tháng}$$
  • Thời gian hoàn vốn (ROI): $\approx \frac{7,000,000}{3,750,000} \approx 1.86\text{ tháng}$ (dưới 2 tháng hoàn vốn).

Lộ trình triển khai (Implementation Roadmap)

[Tháng 1-2]: Thử nghiệm diện hẹp tại 2 phòng Lab BM Điện tử Công nghiệp
[Tháng 3-4]: Nâng cấp bảo mật TLS/SSL cho Broker, đóng vỏ hộp chuẩn DIN-Rail công nghiệp
[Tháng 5-6]: Triển khai mở rộng cho toàn bộ tòa nhà A1 với 40 phòng học

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Cảm biến DHT11 có dải đo và độ chính xác ở mức cơ bản (nhiệt độ $0-50^\circ\text{C} \pm 2^\circ\text{C}$, độ ẩm $20-90% \pm 5%$), chu kỳ lấy mẫu chậm (1s – 2s).
  • Chưa tích hợp tính năng mã hóa TLS/SSL trên cổng MQTT 8883 do giới hạn bộ nhớ phân bổ ban đầu cho thư viện nhẹ, dẫn đến việc truyền nhận gói tin trên cổng 1883 vẫn ở dạng bản rõ (plaintext).
  • Chưa có cơ chế lưu lịch sử trạng thái ngoại tuyến vào cơ sở dữ liệu chuỗi thời gian (Time-series Database).

Hướng phát triển trong tương lai

  • Nâng cấp cảm biến nhiệt độ - độ ẩm công nghiệp SHT30 hoặc DHT22 với giao tiếp $I^2C$ cho độ chính xác cao hơn.
  • Tích hợp chip đo điện năng chuyên dụng PZEM-004T hoặc biến dòng CT để đo trực tiếp điện áp (V), dòng điện (A), công suất (W) và điện năng tiêu thụ (kWh).
  • Triển khai hệ điều hành thời gian thực FreeRTOS trên 2 nhân của ESP32: Core 0 xử lý truyền thông WiFi/MQTT, Core 1 chuyên trách đọc cảm biến và điều khiển relay.
  • Lưu trữ dữ liệu lên InfluxDB và trực quan hóa chuyên sâu bằng Grafana Dashboard.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử / Viễn thông: Tài liệu tham khảo toàn diện về phương pháp tích hợp phần cứng vi điều khiển 32-bit với giao thức truyền thông IoT hiện đại.
  • Kỹ sư phát triển nhúng (Embedded Developers): Nắm vững thiết kế mạch cách ly công suất thực tế và mẫu lập trình non-blocking MQTT client trên ESP32.
  • Ban quản lý cơ sở vật chất nhà trường: Công cụ chuyển đổi số hiệu quả giúp cắt giảm chi phí điện năng, nâng cao tuổi thọ thiết bị và giảm áp lực nhân sự kiểm tra giảng đường.
  • Nhà nghiên cứu giải pháp Năng lượng: Dữ liệu thực nghiệm về thời gian đáp ứng và mức độ tin cậy của mạng cảm biến không dây trong môi trường trường học.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới 220VAC/50Hz, hạ tầng mạng WiFi 2.4GHz (chuẩn 802.11 b/g/n) có kết nối Internet. Phía máy chủ cần cài đặt Node.js v10+ để chạy Node-RED hoặc sử dụng trực tiếp tài khoản CloudMQTT miễn phí. Thiết bị di động của người dùng cần chạy Android 4.4 trở lên.

2. Nếu mạng Internet bị mất kết nối, hệ thống có hoạt động được không?

Khi mất Internet, hệ thống vẫn duy trì hoạt động cục bộ nếu mạng WiFi nội bộ (LAN) còn hoạt động và triển khai Broker MQTT cục bộ (như Mosquitto cài trên Raspberry Pi). Nếu mất hoàn toàn cả WiFi, vi điều khiển ESP32 sẽ duy trì trạng thái đóng ngắt cuối cùng của rơ-le và tự động phục hồi kết nối ngay khi có mạng trở lại.

3. Có thể điều khiển nhiều hơn 4 thiết bị điện trên một phòng học không?

Hoàn toàn có thể. Do kiến trúc MQTT sử dụng cơ chế định danh theo Topic, bạn chỉ cần lắp thêm các module ESP32 phụ và gán topic tương ứng (ví dụ: phonghoc/thietbi2/relay1/set). Hệ thống có thể mở rộng quản lý hàng trăm thiết bị mà không cần thay đổi cấu trúc nền tảng máy chủ.

4. Chi phí bảo trì và độ bền phần cứng của hệ thống như thế nào?

Bo mạch sử dụng rơ-le cơ học Songle có tuổi thọ đóng ngắt danh định trên 100,000 lần (tương đương 5–7 năm sử dụng thông thường trong điều kiện học đường). Chi phí bảo trì gần như bằng không, việc thay thế module rơ-le hoặc cảm biến DHT11 rất dễ dàng nhờ thiết kế dạng cắm jack tiêu chuẩn.

5. Khả năng bảo mật của hệ thống được đảm bảo ra sao?

Hệ thống sử dụng cơ chế bảo mật xác thực danh tính (Authentication) đa lớp gồm ClientID, Username và Password trên CloudMQTT Broker. Để nâng cao an toàn, người dùng có thể cấu hình Private Broker và kích hoạt mã hóa lớp truyền tải SSL/TLS trên cổng 8883.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện" đã hoàn thành xuất sắc toàn bộ các mục tiêu lý thuyết và thực nghiệm đề ra. Dự án chứng minh tính khả thi vượt trội của việc ứng dụng vi điều khiển ESP32 và giao thức MQTT trong tự động hóa điều khiển thiết bị điện công cộng. Với độ trễ phản hồi thấp, khả năng đồng bộ trạng thái tức thời trên Web/App và thiết kế phần cứng cách ly an toàn, giải pháp không chỉ mang giá trị học thuật sâu sắc mà còn mở ra tiềm năng thương mại hóa rộng rãi trong các dự án trường học thông minh (Smart School) và tòa nhà thông minh (Smart Building). Các nhà nghiên cứu, kỹ sư và cơ sở giáo dục có thể trực tiếp kế thừa kiến trúc này để nâng cấp thành hệ thống quản lý năng lượng toàn diện.