Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh bùng nổ của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, xu hướng ứng dụng công nghệ thông tin và Internet vạn vật (IoT) vào quản lý năng lượng và xây dựng đô thị thông minh ngày càng được mở rộng. Hệ thống chiếu sáng dân dụng đóng vai trò quan trọng trong sinh hoạt thường nhật của mỗi gia đình. Tuy nhiên, các giải pháp chiếu sáng truyền thống vẫn bộc lộ nhiều hạn chế, tiêu biểu là việc người sử dụng thường xuyên quên tắt thiết bị khi rời khỏi nhà dẫn đến hao phí điện năng, hoặc thiếu khả năng tùy biến linh hoạt độ sáng phù hợp với từng nhu cầu sử dụng cụ thể. Cùng với sự phổ biến nhanh chóng của các thiết bị thông minh như điện thoại thông minh (smartphone) và đồng hồ thông minh (smartwatch), việc tích hợp các thiết bị này thành công cụ điều khiển và giám sát thiết bị gia dụng mang lại giá trị thực tiễn cao.
Đồ án tốt nghiệp "Tìm hiểu hệ điều hành Android Wear và xây dựng giải pháp điều khiển thông minh cho các đèn chiếu sáng gia đình" do sinh viên Nguyễn Hoàng Phúc và Phạm Phi Cường thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Hiệp tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu sau:
- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, kiến trúc và ứng dụng của hệ điều hành Android trên điện thoại thông minh và hệ điều hành Android Wear trên thiết bị đeo.
- Khảo sát, thiết kế và cải tiến phần cứng của đèn LED bulb 5W sẵn có trên thị trường nhằm tích hợp vi điều khiển thu phát Wi-Fi và mạch công suất điều khiển độ sáng.
- Nghiên cứu, xây dựng cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase Realtime Database theo cấu trúc cây JSON để đồng bộ hóa trạng thái điều khiển giữa các thiết bị.
- Lập trình 02 ứng dụng điều khiển: một ứng dụng chạy trên điện thoại thông minh Android và một ứng dụng chạy trên đồng hồ thông minh Android Wear, cho phép bật, tắt, điều chỉnh độ sáng và phản hồi trạng thái hoạt động của đèn qua kết nối Wi-Fi hoặc mạng di động 3G.
- Kiểm tra, đánh giá tính ổn định của mạch phần cứng sau khi lắp ráp hoàn thiện vào vỏ đèn và khả năng đồng bộ trạng thái thực tế giữa nhiều thiết bị điều khiển.
Về đối tượng nghiên cứu, đề tài tập trung vào hệ thống đèn LED bulb 5W của hãng Rạng Đông, vi điều khiển ESP8266EX trên kit NodeMCU Mini D1, hệ điều hành Android/Android Wear và nền tảng dữ liệu Firebase. Về phạm vi nghiên cứu, không gian thực hiện mô hình điều khiển bao gồm mạng nội bộ gia đình kết nối ra Internet toàn cầu qua hạ tầng 3G/Wi-Fi; thời gian triển khai đồ án diễn ra từ ngày 15/09/2017 đến ngày 10/01/2018.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Về cơ sở lý thuyết, tác giả hệ thống hóa các nền tảng kỹ thuật chính được ứng dụng trong công trình:
- Hệ điều hành Android và Android Wear: Nền tảng mã nguồn mở phát triển trên nhân Linux. Văn bản đi sâu phân tích phiên bản Android Wear 2.0 (giới thiệu tại sự kiện Google I/O 2016) với những cải tiến cốt lõi: cho phép ứng dụng hoạt động độc lập không bị phụ thuộc hoàn toàn vào smartphone, thiết kế giao diện phẳng Material UI tối ưu cho màn hình nhỏ, hỗ trợ các phân mục và widget của bên thứ ba (complications), cùng các tiện ích theo dõi sức khỏe và thẻ thông báo Google Now.
- Cơ sở dữ liệu đám mây Firebase Realtime Database: Nền tảng dịch vụ do Google cung cấp, tổ chức dữ liệu dưới dạng cây JSON và hỗ trợ cơ chế đồng bộ tức thời đến các ứng dụng khách (clients) đa nền tảng theo thời gian thực thông qua kết nối bảo mật SSL.
- Chuẩn giao tiếp mạng không dây Wi-Fi: Các chuẩn của họ giao thức IEEE 802.11 gồm 802.11b (tần số 2.4 GHz, mã CCK, tốc độ 11 Mbit/s), 802.11g (tần số 2.4 GHz, mã OFDM, tốc độ 54 Mbit/s), 802.11a (5 GHz, 54 Mbit/s), 802.11n (2.4 GHz, 300 Mbit/s), 802.11ac (5 GHz) và 802.11ad (60 GHz).
- Lý thuyết điều khiển công suất bằng điều chế độ rộng xung (PWM): Sử dụng xung tần số 980 Hz xuất ra từ bộ xử lý trung tâm, kết hợp tầng cách ly quang Opto 4N35 và khóa bán dẫn MOSFET IRF840 để điều tiết dòng điện qua LED.
Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:
- Phương pháp tính toán và thiết kế mạch điện tử: Tính toán cầu phân áp chịu điện áp 310 VDC để trích xuất điện áp kích chân cổng G cho MOSFET, tính chọn công suất tiêu tán của điện trở, dòng định mức và điện áp danh định của các linh kiện thụ động và tích cực.
- Phương pháp thiết kế mạch in (PCB) 2 lớp: Thiết kế sơ đồ nguyên lý và sơ đồ mạch in kích thước nhỏ gọn để đặt vừa vặn vào bên trong đui đèn LED hình cầu.
- Phương pháp lập trình hệ thống nhúng và ứng dụng di động: Lập trình firmware cho vi điều khiển ESP8266EX bằng phần mềm Arduino IDE; lập trình phần mềm điều khiển cho smartphone và smartwatch bằng Android Studio.
- Phương pháp thực nghiệm và kiểm tra chức năng: Đo kiểm mức điện áp thực tế tại các chân IC, kiểm tra dạng sóng xung PWM, thử nghiệm đóng cắt tải đèn và khảo sát trạng thái kết nối mạng qua giao thức mạng không dây.
Nguồn dữ liệu của đề tài dựa trên giáo trình điện tử căn bản, tài liệu lập trình Android của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, bảng thông số kỹ thuật (datasheet) từ các nhà sản xuất linh kiện bán dẫn (ESP8266EX, CH340, MOSFET IRF840, Optocoupler 4N35, diode 1N4007) và tài liệu lập trình giao diện API từ Google Firebase.
Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật
Hệ thống được thiết kế theo mô hình điều khiển tập trung qua điện toán đám mây. Kiến trúc tổng thể bao gồm thiết bị điều khiển đầu cuối (smartphone Android và smartwatch Android Wear), máy chủ lưu trữ Firebase Realtime Database và thiết bị đèn thông minh đặt tại gia đình kết nối Wi-Fi.
Thiết bị đèn thông minh được cấu thành từ 5 khối chức năng chính:
- Khối nguồn công suất: Tận dụng bo mạch nguồn xung sẵn có của bóng đèn LED Rạng Đông 5W, nắn dòng từ lưới điện 220 VAC (50 Hz) qua mạch chỉnh lưu cầu và tụ lọc 33 µF, tạo ra điện áp một chiều 310 VDC để cấp cho thanh LED với dòng định mức 50 mA.
- Khối nguồn điều khiển: Sử dụng mạch nguồn xung cách ly có điện áp ngõ vào từ 90 VAC đến 230 VAC (dòng vào 14 mA tại 220 VAC), ngõ ra đạt 5 VDC, dòng tải từ 0 đến 700 mA (cực đại 750 mA), hiệu suất 80% và điện áp gợn sóng 60 mV, dùng để cấp nguồn cho khối xử lý trung tâm.
- Khối xử lý trung tâm: Sử dụng kit ESP8266 NodeMCU Mini D1 tích hợp vi điều khiển Wi-Fi SoC ESP8266EX, chip chuyển đổi giao tiếp UART nạp chương trình CH340 và IC hạ áp 4A2D tạo điện áp 3.3 VDC cung cấp cho lõi xử lý.
- Khối công suất: Đảm nhận chức năng điều tiết điện năng cấp cho dàn LED thông qua tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) tần số 980 Hz từ chân xuất xung của ESP8266. Mạch sử dụng bộ cách ly quang Opto 4N35 để phân tách hoàn toàn phần điều khiển điện áp thấp với phần mạch động lực điện áp cao 310 VDC. Tầng kích chân G của MOSFET IRF840 được thiết kế từ cầu phân áp gồm điện trở R10 (4,7 kΩ) và điện trở R11 (56 kΩ, công suất 2W), kết hợp với diode Zener 20V để ổn định điện áp kích mở không vượt quá ngưỡng cho phép của linh kiện.
Bảng thông số linh kiện chế tạo mạch công suất được tổng hợp từ thiết kế:
| STT |
Tên linh kiện |
Thông số kỹ thuật |
Dạng vỏ |
Chú thích |
| 1 |
Diode 1N4007 |
1000V, dòng cực đại 1A |
Đúc Epoxy |
Chân cắm, kích thước 5,7 mm |
| 2 |
Điện trở 4k7 |
4,7 kΩ, công suất 0,5W |
Carbon Film |
Chân cắm, kích thước 3,5 mm x 10 mm |
| 3 |
Điện trở 56k |
56 kΩ, công suất 2W |
Điện trở than |
Chân cắm, kích thước 115 mm x 45 mm |
| 4 |
Điện trở 4k7 |
4,7 kΩ, công suất 2W |
Điện trở than |
Chân cắm, kích thước 115 mm x 45 mm |
| 5 |
Tụ hóa 10uF |
10 µF, điện áp 50V, dòng 65 mA |
Tụ phân cực |
Chân cắm, kích thước 5 mm x 11 mm |
| 6 |
Diode Zener |
Điện áp ghim 24V, công suất 1W |
Thủy tinh |
Chân cắm, kích thước 4,6 mm |
| 7 |
Opto 4N35 |
Áp vào max 6V, áp ra max 70V, dòng 50 mA |
Lớp Silic |
Chân cắm, kích thước 7,12 mm x 7,62 mm |
| 8 |
MOSFET IRF840 |
Vds max 500V, Vgs max 20V, dòng max 8A, P = 125W |
TO-220AB |
Chân cắm, không gắn tản nhiệt rời |
| 9 |
Điện trở dán 220R |
220 Ω, công suất 1/8W |
Nhôm ôxít |
Linh kiện dán (SMD), 2 mm x 1,2 mm |
Quy trình thi công và đóng gói phần cứng vào thân bóng đèn LED bulb trải qua 6 công đoạn thực nghiệm:
- Ghép khối nguồn công suất và khối nguồn điều khiển, hàn dây cấp nguồn 220 VAC, nối ngõ ra 5 VDC cấp cho mạch xử lý và ngõ ra 310 VDC vào mạch công suất.
- Cắt một đĩa mica cách điện đường kính 6 cm, khoan lỗ luồn dây dẫn tín hiệu xung và dây nguồn, gắn cố định vào khoang trong của thân đèn.
- Hàn dây cấp nguồn 5 VDC, dây xung PWM và dây nút nhấn chọn chế độ vào kit ESP8266 NodeMCU Mini D1, đặt cố định kit lên bề mặt tấm mica thứ nhất.
- Cắt tấm mica thứ hai có đường kính 7,5 cm, khoan lỗ kỹ thuật luồn dây và gắn đậy phía trên bo mạch ESP8266 để cách điện hoàn toàn với tầng công suất bên trên.
- Cắt một tấm nhôm tản nhiệt đường kính 6,5 cm, luồn 3 đoạn ống gen cách điện đặt dọc tấm nhôm để ngăn truyền nhiệt trực tiếp từ dàn LED sang tấm mica phía dưới, sau đó gắn tấm LED công suất 5W lên bề mặt tản nhiệt.
- Lắp ghép hoàn thiện chóa đèn tán quang vào thân đèn, hoàn tất sản phẩm đèn LED thông minh.
Về phần mềm, tác giả xây dựng cấu trúc cơ sở dữ liệu trên Firebase dưới dạng cây JSON phân cấp các trường thông tin: trạng thái bật/tắt (On/Off), mức độ sáng thiết lập (Duty cycle), cùng định danh các bóng đèn. Ứng dụng Android trên smartphone cung cấp giao diện quản lý 4 đèn cùng lúc với biểu tượng mô phỏng bóng đèn, công tắc bật/tắt, thanh trượt điều chỉnh độ sáng và mục tùy chọn cấu hình lại thông số mạng Wi-Fi (SSID và mật khẩu) cho đèn. Ứng dụng Android Wear trên đồng hồ thông minh được tối ưu hóa giao diện hiển thị 2 đèn trên mỗi khung nhìn, cho phép trượt cuộn để thao tác các đèn tiếp theo, loại bỏ nút thiết lập Wi-Fi để giữ sự gọn gàng và tương thích với kích thước màn hình nhỏ.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài trong việc nghiên cứu và ứng dụng IoT vào chiếu sáng thông minh. Tác giả phân tích điểm mới của đề tài so với công trình của nhóm sinh viên thực hiện trước đó tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh: trong khi đề tài trước chỉ điều khiển bật tắt và hẹn giờ một thiết bị đèn qua Bluetooth/Wi-Fi tầm gần trên điện thoại, đồ án này mở rộng phạm vi điều khiển không giới hạn khoảng cách thông qua đám mây Firebase qua mạng 3G/Wi-Fi, hỗ trợ điều khiển đồng bộ nhiều đèn từ cả smartphone và smartwatch, đồng thời cho phép cấu hình linh hoạt thông tin mạng Wi-Fi cho bóng đèn.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Nội dung chương 2 tập trung cung cấp các kiến thức nền tảng về hệ điều hành Android và Android Wear (quá trình phát triển từ Android Inc. đến Google, ưu nhược điểm về tùy biến và phân mảnh, các tính năng của Android Wear 2.0); tổng quan về dịch vụ Firebase (Realtime Database, Authentication, Hosting, ưu thế đồng bộ dữ liệu thời gian thực dạng JSON); lý thuyết về mạng không dây Wi-Fi theo các chuẩn 802.11a/b/g/n/ac/ad; và các thông số hoạt động của các linh kiện bán dẫn như vi điều khiển ESP8266EX, Opto 4N35, MOSFET IRF840.
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Chương 3 chi tiết hóa sơ đồ khối toàn hệ thống và thiết kế kỹ thuật từng phần. Tác giả tính toán chi tiết mạch công suất tải: từ nguồn một chiều 310 VDC sau chỉnh lưu cầu, dòng tiêu thụ đèn LED 50 mA, tính chọn cầu phân áp với hai điện trở R10 = 4,7 kΩ và R11 = 56 kΩ có công suất tiêu tán thực tế 1,58 W (chọn loại trở than công suất danh định 2 W), kết hợp diode Zener ghim áp kích mở cổng G của MOSFET ở mức 20 V. Chương này cũng thiết lập cấu trúc cơ sở dữ liệu cây JSON trên Firebase và thiết kế bản vẽ giao diện điều khiển (UI) cho điện thoại và đồng hồ thông minh.
Chương 4: Thi công hệ thống
Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thi công thực tế sản phẩm. Tác giả trình bày bản vẽ mạch in 2 lớp của mạch công suất, bảng danh mục linh kiện, quy trình hàn ráp linh kiện chân cắm và linh kiện dán. Chương này ghi lại 4 bước kiểm tra mạch điện sau khi hàn, 6 bước thi công lắp ráp cơ khí toàn bộ các khối mạch vào đui đèn tròn với các lớp đệm mica và nhôm tản nhiệt. Đồng thời, chương 4 cũng hướng dẫn các bước thiết lập dự án trên Android Studio, quy trình nạp chương trình qua cổng giao tiếp nối tiếp COM trên Arduino IDE và cấu hình kết nối tệp tin google-services.json từ Firebase.
Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá
Chương 5 công bố các hình ảnh thực tế của sản phẩm hoàn thiện, bao gồm thiết bị đèn thông minh sau khi đóng gói, giao diện phần mềm điều khiển chạy trên điện thoại và đồng hồ thông minh. Tác giả ghi nhận các kết quả đo kiểm thông số kỹ thuật điện áp, kiểm tra tính đáp ứng của ứng dụng điều khiển ở chế độ chạy nền và chế độ tương tác trực tiếp, cũng như độ mượt mà khi đồng bộ trạng thái giữa điện thoại và đồng hồ.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành của đồ án: chế tạo thành công bóng đèn LED thông minh tích hợp phần cứng hoàn chỉnh trong vỏ đèn, thiết kế 2 ứng dụng điều khiển qua mạng không dây đáp ứng thời gian thực. Đồng thời, tác giả chỉ ra các mặt hạn chế của phiên bản thử nghiệm và vạch ra các hướng cải tiến kỹ thuật cho đề tài trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Về kết quả thực nghiệm phần cứng, công đoạn kiểm tra sau chế tạo đã xác nhận các thông số kỹ thuật đạt yêu cầu thiết kế theo số liệu ghi nhận:
| Đối tượng kiểm tra |
Kết quả thu được |
| Các mối hàn |
Mối hàn chì bóng, tiếp xúc điện tốt |
| Đường mạch điện |
Đã phát hiện một vài vị trí bị chạm chập trong quá trình gia công và đã được xử lý khắc phục triệt để |
| Điện áp khối nguồn |
Điện áp đo được tại chân IC ổn áp ngõ ra mạch nguồn đạt chính xác 5 VDC; điện áp mạch công suất đạt 310 VDC |
| Hoạt động kit ESP8266 |
Nạp chương trình thử nghiệm phát sóng Wi-Fi thành công, module hoạt động ổn định |
| Mạch công suất |
Cấp nguồn 310 VDC và cấp xung PWM 980 Hz: MOSFET mở cổng chuẩn xác, đèn sáng ổn định, MOSFET không bị phát nhiệt |
Về kết quả phần mềm, đồ án đã triển khai thành công 02 ứng dụng chạy trên nền tảng di động:
- Ứng dụng Android trên điện thoại điều khiển ổn định 4 đèn, có khả năng cấu hình lại mạng Wi-Fi cho bóng đèn khi thông tin mạng gia đình thay đổi, đồng thời cập nhật tức thời trạng thái sáng/tắt và độ sáng từ cơ sở dữ liệu.
- Ứng dụng Android Wear trên đồng hồ thông minh hỗ trợ điều khiển độc lập thông qua kết nối Wi-Fi/3G với giao diện tối ưu hóa cho thao tác vuốt chạm trên màn hình tròn hoặc vuông.
Về đóng góp khoa học và kỹ thuật, công trình có 3 điểm đóng góp rõ rệt so với nghiên cứu trước đó:
- Chuyển đổi thành công phương thức điều khiển cự ly gần (Bluetooth/Wi-Fi nội bộ) sang phương thức điều khiển từ xa qua mạng Internet toàn cầu thông qua cơ sở dữ liệu đám mây Firebase Realtime Database.
- Mở rộng nền tảng điều khiển sang thiết bị đeo tay thông minh chạy Android Wear, giúp nâng cao tính tiện dụng và khả năng tương tác của người dùng trong hệ thống nhà thông minh.
- Tối ưu hóa thiết kế phần cứng, giải quyết trọn vẹn bài toán đóng gói tích hợp toàn bộ khối thu phát sóng, khối xử lý, khối nguồn cách ly và khối điều khiển công suất vào gọn trong không gian nhỏ của vỏ đèn LED bulb 5W sẵn có trên thị trường.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Về mặt hạn chế, văn bản đồ án chỉ rõ:
- Cơ sở dữ liệu Firebase ở gói tài khoản miễn phí bị giới hạn tối đa 100 thiết bị kết nối đồng thời và 1 GB dung lượng lưu trữ, gây hạn chế nếu muốn mở rộng quy mô triển khai thương mại (cần nâng cấp lên gói trả phí 25 USD/tháng cho 100.000 kết nối và 2,5 GB lưu trữ).
- Thời lượng pin của các đồng hồ thông minh chạy hệ điều hành Android Wear còn ngắn (thường chỉ duy trì hoạt động trong khoảng 1 ngày), đòi hỏi người dùng phải sạc thường xuyên.
- Kích thước không gian bên trong bóng đèn LED bulb 5W khá chật hẹp, việc bố trí nhiều bo mạch đòi hỏi phải lắp ráp thủ công với nhiều tấm mica cách điện và tản nhiệt phụ trợ.
- Quy mô thử nghiệm của hệ thống mới dừng lại ở việc điều khiển thử nghiệm từ 2 đến 4 bóng đèn trong môi trường gia đình.
Về hướng phát triển, nhóm tác giả đề xuất:
- Nâng cấp phần cứng: Thiết kế tích hợp toàn bộ các khối nguồn, khối xử lý ESP8266 và khối công suất lên một bo mạch in duy nhất thay vì ghép nối các module rời, giúp thu nhỏ diện tích và hạ giá thành sản xuất.
- Mở rộng phần mềm: Bổ sung tính năng nhận dạng giọng nói trên đồng hồ thông minh và điện thoại thông minh để ra lệnh điều khiển đèn; tích hợp thuật toán hẹn giờ bật/tắt tự động theo thói quen sinh hoạt.
- Phát triển hệ sinh thái: Mở rộng giải pháp điều khiển sang các thiết bị điện gia dụng khác trong gia đình như quạt điện, máy lạnh và bình nóng lạnh.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn đối với sinh viên và kỹ sư các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử – Truyền thông, Kỹ thuật Máy tính, Điện tử Công nghiệp và Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa.
Nội dung đồ án cung cấp các tài liệu tham khảo có giá trị cao bao gồm:
- Phương pháp tính toán mạch phân áp và tầng kích mở van công suất MOSFET điện áp cao (310 VDC) cách ly qua Opto cho các ứng dụng băm xung PWM điều khiển độ sáng đèn LED.
- Quy trình cơ khí thực nghiệm 6 bước nhằm đóng gói tích hợp mạch nhúng và linh kiện công suất vào không gian giới hạn của thiết bị điện dân dụng có sẵn mà vẫn đảm bảo yêu cầu cách điện và giải nhiệt.
- Cấu trúc kết nối và đồng bộ hóa thời gian thực giữa vi điều khiển ESP8266 với cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database qua mạng Wi-Fi.
- Kỹ thuật lập trình ứng dụng điều khiển phần cứng trên thiết bị đeo chạy hệ điều hành Android Wear độc lập bằng Android Studio.
Câu hỏi thường gặp
Khối xử lý trung tâm trong bóng đèn sử dụng vi điều khiển nào và có thông số ra sao?
Khối xử lý trung tâm của bóng đèn sử dụng kit phát triển ESP8266 NodeMCU Mini D1, được xây dựng trên nền tảng vi điều khiển Wi-Fi SoC ESP8266EX. Kit tích hợp sẵn chip giao tiếp UART CH340 để nạp chương trình qua cổng USB, IC ổn áp 4A2D hạ áp xuống mức 3.3 VDC, chân GPIO giao tiếp ở mức logic 3.3V và nhận nguồn cấp vào 5 VDC. Giá thành module tại thời điểm thực hiện đồ án là 90.000 VNĐ.
Mạch công suất điều khiển độ sáng của đèn LED hoạt động theo nguyên lý nào?
Mạch công suất hoạt động theo nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) với tần số 980 Hz xuất ra từ chân vi điều khiển ESP8266. Xung điều khiển được đưa qua bộ cách ly quang Opto 4N35 để kích mở chân cổng G của MOSFET IRF840. Mức điện áp kích mở cổng G (tối đa 20 VDC) được trích từ nguồn động lực 310 VDC thông qua cầu phân áp gồm hai điện trở R10 (4,7 kΩ) và R11 (56 kΩ, 2W) kết hợp diode Zener ghim áp. Thay đổi chu kỳ nhiệm vụ xung PWM sẽ làm biến thiên dòng điện thoát $I_D$ (từ 0 đến 50 mA) chạy qua dàn LED, từ đó thay đổi độ sáng của đèn.
Vấn đề cách nhiệt giữa dàn LED công suất và khối mạch điện tử bên trong bóng đèn được giải quyết như thế nào?
Nhóm nghiên cứu đã xử lý nhiệt độ bằng giải pháp cơ khí 3 lớp: sử dụng một tấm mica đường kính 7,5 cm làm vách ngăn cách điện phía trên mạch xử lý; phía trên bố trí thêm một tấm nhôm tản nhiệt đường kính 6,5 cm; đồng thời luồn 3 đoạn ống gen cách nhiệt đặt dọc theo tấm nhôm để ngăn chặn nhiệt năng phát sinh từ chip LED 5W truyền thẳng xuống các linh kiện điện tử và tấm mica bên dưới.
Cơ sở dữ liệu Firebase được tổ chức như thế nào và có giới hạn gì ở bản miễn phí?
Firebase Realtime Database tổ chức dữ liệu dưới dạng cây JSON phân cấp các trường thông tin bao gồm mã định danh của từng đèn, trạng thái bật/tắt (logic) và giá trị độ sáng (dải điều chỉnh PWM). Dữ liệu này được đồng bộ tức thời hai chiều giữa ứng dụng trên smartphone, smartwatch và module ESP8266. Ở phiên bản miễn phí, hệ thống giới hạn tối đa 100 thiết bị truy cập đồng thời và dung lượng lưu trữ 1 GB; khi mở rộng vượt ngưỡng này cần chuyển sang gói thuê bao có tính phí (25 USD/tháng cho 100.000 kết nối và 2,5 GB lưu trữ).
Giao diện điều khiển trên đồng hồ thông minh Android Wear khác biệt gì so với trên điện thoại thông minh?
Về mặt chức năng cơ bản, cả hai phần mềm đều cho phép bật/tắt, điều chỉnh độ sáng qua thanh trượt và nhận phản hồi trạng thái hoạt động của đèn. Tuy nhiên, giao diện trên Android Wear đã loại bỏ hoàn toàn nút "tùy chọn" dùng để thiết lập lại thông số mạng Wi-Fi (SSID và mật khẩu) cho đèn, do chức năng này được ấn định độc quyền cho điện thoại. Đồng thời, để phù hợp với màn hình hiển thị nhỏ, giao diện đồng hồ chỉ bố trí 2 bóng đèn trên một khung nhìn và cho phép người dùng vuốt trượt màn hình theo chiều dọc để thao tác với các bóng đèn tiếp theo.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Hoàng Phúc và Phạm Phi Cường đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu và chế tạo hệ thống chiếu sáng thông minh điều khiển qua mạng không dây. Bằng việc cải tiến phần cứng đèn LED bulb 5W tích hợp vi điều khiển ESP8266EX và tầng công suất cách ly quang, kết hợp cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase, nhóm tác giả đã xây dựng thành công giải pháp điều khiển đồng bộ đèn từ cả điện thoại thông minh Android và đồng hồ thông minh Android Wear qua sóng 3G và Wi-Fi. Kết quả thực nghiệm khẳng định mạch phần cứng hoạt động ổn định, đóng cắt chính xác, đồng thời mở ra tiềm năng ứng dụng thiết bị đeo tay vào các hệ sinh thái nhà thông minh trong thực tế.
