Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Cho Căn Hộ Chung Cư

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp kỹ thuật máy tính hệ thống điều khiển tự động cho căn hộ chung cư, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải pháp cụ thể cho vấn đề

• Tác giả: Lê Đình Thành
• Người hướng dẫn: ThS. Phan Đình Duy
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Cho Căn Hộ Chung Cư
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Tình hình trong và ngoài nước
• 1.2. Tổng quan đề tài
• 1.3. Mục tiêu
• 2. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ CÁC THIẾT BỊ VÀ GIAO TIẾP
• 2.1. Tìm hiểu về ESP32-LuaNode32
• 2.2. Tìm hiểu về ESP32-CAM
• 2.3. Tìm hiểu về cảm biến vân tay AS608
• 2.4. Tìm hiểu về thẻ từ RC522
• 2.5. Tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ, độ ẩm AM2320
• 2.6. Tìm hiểu về mạch hiển thị đèn LED NEOPixel WS2812
• 2.7. Tìm hiểu về cảm biến chuyển động hồng ngoại SR602
• 2.8. Tìm hiểu về động cơ Servo SG90
• 2.9. Chuẩn giao tiếp I2C
• 2.10. Chuẩn giao tiếp SPI
• 2.11. Chuẩn giao tiếp UART
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. Phân tích mô hình hệ thống
• 3.2. Thiết kế chức năng mở cửa ra vào bằng khuôn mặt
• 3.3. Thiết kế chức năng mở cửa ra vào bằng thẻ từ RFID
• 3.4. Thiết kế chức năng mở cửa ra vào bằng vân tay
• 3.5. Thiết kế chức năng điều khiển các thiết bị bằng website và nút nhấn
• 3.6. Thiết kế chức năng hẹn giờ cho thiết bị
• 3.7. Thiết kế chức năng rèm cửa tự động
• 3.8. Thiết kế đèn trang trí RGB
• 3.9. Thiết kế chức năng thêm, xóa dấu vân tay cho người dùng
• 3.10. Thiết kế chức năng điều khiển thiết bị bằng giọng nói
• 3.11. Thiết kế hệ thống cảnh báo người lạ
• 3.12. Thiết kế giao diện người dùng
• 3.13. Thiết kế chức năng kết nối WiFi cho ESP32 và giao tiếp giữa các ESP32 bằng giao thức ESP-NOW
• 3.14. Lưu trữ và truy vấn dữ liệu trên database
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH MÔ HÌNH
• 4.1. Thông số đo đạc, đánh giá
• 4.2. Tóm tắt kết quả
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Cho Căn Hộ Chung Cư

Hệ thống điều khiển tự động cho căn hộ chung cư đang trở thành xu hướng hiện đại trong thời đại công nghệ 4.0. Với sự phát triển của công nghệ nhà thông minh, hệ thống này cho phép người dùng quản lý và điều khiển các thiết bị điện trong căn hộ một cách dễ dàng và tiện lợi. Hệ thống không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao sự an toàn và tiện nghi cho người sử dụng.

1.1. Khái Niệm Về Hệ Thống Tự Động Hóa

Hệ thống tự động hóa là một tập hợp các thiết bị và công nghệ cho phép điều khiển và giám sát các quy trình mà không cần sự can thiệp của con người. Trong căn hộ chung cư, hệ thống này có thể bao gồm các thiết bị như đèn, rèm cửa, và hệ thống an ninh.

1.2. Lợi Ích Của Hệ Thống Điều Khiển Tự Động

Hệ thống điều khiển tự động mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm năng lượng, tăng cường an ninh và cải thiện chất lượng cuộc sống. Người dùng có thể điều khiển thiết bị từ xa thông qua smartphone hoặc giọng nói, giúp tiết kiệm thời gian và công sức.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Việc Triển Khai Hệ Thống

Mặc dù hệ thống điều khiển tự động mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong việc triển khai. Chi phí lắp đặt cao và sự phụ thuộc vào nguồn điện và mạng Internet là những vấn đề cần được giải quyết.

2.1. Chi Phí Lắp Đặt Cao

Chi phí lắp đặt hệ thống điều khiển tự động cho căn hộ chung cư thường rất cao, điều này có thể làm giảm khả năng tiếp cận của nhiều người tiêu dùng. Các thiết bị như cảm biến, camera và bộ điều khiển đều có giá thành không hề rẻ.

2.2. Phụ Thuộc Vào Nguồn Điện Và Mạng Internet

Hệ thống điều khiển tự động cần có nguồn điện ổn định và kết nối Internet để hoạt động hiệu quả. Nếu mất điện hoặc mất mạng, người dùng sẽ không thể điều khiển các thiết bị trong căn hộ.

III. Phương Pháp Triển Khai Hệ Thống Điều Khiển Tự Động

Để triển khai hệ thống điều khiển tự động cho căn hộ chung cư, cần áp dụng các phương pháp và công nghệ hiện đại. Việc tích hợp các thiết bị IoT và cảm biến thông minh là rất quan trọng.

3.1. Sử Dụng Công Nghệ IoT

Công nghệ IoT cho phép các thiết bị kết nối và giao tiếp với nhau, tạo ra một hệ sinh thái thông minh. Các thiết bị như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và camera có thể được tích hợp vào hệ thống để nâng cao hiệu quả.

3.2. Tích Hợp Các Cảm Biến Thông Minh

Việc sử dụng các cảm biến thông minh như cảm biến chuyển động, cảm biến vân tay và camera giúp tăng cường an ninh và tiện ích cho căn hộ. Các cảm biến này có thể được điều khiển từ xa thông qua ứng dụng di động.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Thống Điều Khiển Tự Động

Hệ thống điều khiển tự động đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều căn hộ chung cư, mang lại nhiều tiện ích cho người sử dụng. Các ứng dụng này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao sự an toàn.

4.1. Điều Khiển Thiết Bị Từ Xa

Người dùng có thể điều khiển các thiết bị trong căn hộ từ xa thông qua ứng dụng di động. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao sự tiện lợi trong cuộc sống hàng ngày.

4.2. Hệ Thống An Ninh Thông Minh

Hệ thống an ninh thông minh giúp bảo vệ căn hộ khỏi các mối đe dọa. Các camera và cảm biến chuyển động có thể gửi cảnh báo đến điện thoại của người dùng khi phát hiện có người lạ xâm nhập.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Hệ Thống Điều Khiển Tự Động

Hệ thống điều khiển tự động cho căn hộ chung cư đang ngày càng trở nên phổ biến và cần thiết trong cuộc sống hiện đại. Tương lai của hệ thống này hứa hẹn sẽ còn phát triển mạnh mẽ hơn với sự tiến bộ của công nghệ.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ

Công nghệ sẽ tiếp tục phát triển, mang lại nhiều giải pháp mới cho hệ thống điều khiển tự động. Các thiết bị sẽ ngày càng thông minh hơn và dễ dàng tích hợp vào cuộc sống hàng ngày.

5.2. Tăng Cường An Ninh Và Tiện Nghi

Tương lai của hệ thống điều khiển tự động sẽ tập trung vào việc tăng cường an ninh và tiện nghi cho người sử dụng. Các giải pháp mới sẽ giúp người dùng cảm thấy an toàn hơn trong căn hộ của mình.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp kỹ sư ngành Kỹ thuật Máy tính với đề tài "Hệ thống điều khiển tự động cho căn hộ chung cư" (Automatic Control System for Apartment) được sinh viên Lê Đình Thành (MSSV: 19522229) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Phan Đình Duy tại Trường Đại học Công nghệ Thông tin, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (năm 2023).

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, Internet of Things (IoT) đóng vai trò nền tảng kết nối các thiết bị, hỗ trợ trao đổi dữ liệu, xử lý và tạo cơ sở ra quyết định theo từng nhu cầu riêng biệt. Tại Việt Nam, nhiều doanh nghiệp công nghệ như BKAV, LUMI, ASIS, THHOME đã thương mại hóa các giải pháp nhà thông minh cho căn hộ chung cư với các sản phẩm như chiếu sáng thông minh, điều hòa, rèm tự động, giám sát môi trường và đèn LED 16 triệu màu. Điển hình, giải pháp của Bkav cho phép điều khiển chiếu sáng qua điện thoại thông minh, giọng nói, hẹn giờ và tự động hóa. Tuy nhiên, tác giả chỉ ra hai nhược điểm lớn của các hệ thống thương mại này: chi phí lắp đặt rất cao và hệ thống bị ngưng trệ hoàn toàn khi xảy ra sự cố mất điện hoặc mất kết nối mạng Internet. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài hướng đến việc nghiên cứu và chế tạo một hệ thống điều khiển tự động với chi phí thấp, tối ưu khả năng kết nối cục bộ và hoạt động ổn định.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm 4 nhóm nhiệm vụ cụ thể được đánh số theo văn bản:

1. Xây dựng hệ thống cửa ra vào: Điều khiển đóng/mở thông qua nhận diện khuôn mặt, dấu vân tay, thẻ từ RFID và giao diện website.
2. Xây dựng hệ thống phòng khách: Tự động hóa đóng mở rèm cửa khi có mưa; điều khiển thiết bị (đèn, rèm, máy lạnh) qua website và nút nhấn vật lý; điều khiển thiết bị bằng giọng nói; thiết lập chức năng hẹn giờ bật/tắt cho máy lạnh và rèm cửa.
3. Xây dựng hệ thống cảnh báo nguy hiểm: Tự động gửi cảnh báo qua Gmail kèm hình ảnh chụp thực tế và kích hoạt chuông báo động khi phát hiện người lạ cố ý mở cửa trái phép.
4. Xây dựng hệ thống phần mềm quản trị: Thiết kế website quản lý người dùng, phân quyền truy cập, cài đặt cấu hình thiết bị và giám sát trạng thái toàn bộ căn hộ.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là các thiết bị phần cứng nhúng vi điều khiển, các chuẩn giao tiếp không dây và hệ thống máy chủ quản lý dữ liệu ứng dụng trong mô hình nhà thông minh. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian tập trung vào hai khu vực trọng điểm của căn hộ là cửa ra vào và phòng khách; phạm vi công nghệ tập trung vào vi điều khiển dòng ESP32 kết hợp ESP32-CAM và các giao thức truyền thông cục bộ thời gian thực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận kết hợp nền tảng lý thuyết kỹ thuật máy tính, hệ thống nhúng và công nghệ phần mềm web để giải quyết bài toán điều khiển.

Về phần cứng và vi điều khiển, tác giả sử dụng các linh kiện chuyên dụng với thông số kỹ thuật cụ thể:

• Board vi điều khiển ESP32 NodeMCU LuaNode32: Sử dụng vi xử lý Tensilica Xtensa LX6 (lõi kép/lõi đơn), tích hợp WiFi và Bluetooth dual-mode, điện áp 5VDC qua cổng Micro USB, bộ nhớ 448 KB ROM và 520 KB SRAM, 32 chân GPIO cùng các ngoại vi tích hợp (2 bộ DAC, 18 bộ ADC, 2 bộ I2C, 3 bộ UART, 3 bộ SPI, 16 kênh PWM).
• Module ESP32-CAM: Tích hợp vi điều khiển ESP32, camera OV2640 kích thước 27 x 40.5 mm, hỗ trợ định dạng ảnh JPEG, bộ nhớ trong 520 KB kèm 4 MB PSRAM ngoài, 9 chân I/O.
• Cảm biến vân tay AS608: Độ phân giải 500 DPI, cửa sổ nhận diện 15 x 17 mm, thời gian xử lý hình ảnh dưới 0,4 giây, dung lượng lưu trữ mặc định 200 mẫu vân tay, hỗ trợ mức bảo mật từ 1 đến 5 (mặc định mức 3).
• Module thẻ từ RC522: Sử dụng chip MFRC522, hoạt động ở tần số 13.56 MHz theo chuẩn ISO14443A/MIFARE, tốc độ truyền dữ liệu tối đa 10 Mbps qua chuẩn SPI.
• Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm AM2320: Thang đo độ ẩm 10–99% RH (sai số ±3% RH), thời gian phản hồi 5 giây, giao tiếp qua chuẩn I2C, điện áp cung cấp 3.5V.
• Mạch hiển thị đèn LED NEOPixel WS2812: Gồm 12 bóng LED RGB 5050, hiển thị 160.000 màu với 256 cấp độ sáng, điều khiển qua chuẩn giao tiếp nối tiếp 1-wire, tần số quét không nhỏ hơn 400 Hz/s, tốc độ truyền dữ liệu 800 Kb/s.
• Cảm biến chuyển động hồng ngoại SR602: Cảm biến PIR nhiệt điện, khoảng cách phát hiện tối đa 5 mét (khuyến nghị 0–3,5 mét), ngõ ra mức logic 3.3V/0V, nguồn cấp 3.3V–15V, dòng không tải 20 µA.
• Động cơ Servo SG90 360 độ: Trọng lượng 9g, kích thước 21.7 mm, điều khiển góc quay bằng phương pháp điều độ rộng xung (PWM).

Về chuẩn giao tiếp phần cứng và giao thức mạng:

• Chuẩn giao tiếp phần cứng: UART (giao tiếp 2 dây TX-RX giữa vi điều khiển và cảm biến vân tay AS608), SPI (giao tiếp 4 dây MOSI, MISO, SCLK, SS giữa vi điều khiển và module RC522), I2C (giao tiếp 2 dây SDA, SCL giữa vi điều khiển và cảm biến AM2320).
• Giao thức mạng: HTTP (chu trình yêu cầu - phản hồi giữa trình duyệt và máy chủ), WebSocket (giao tiếp hai chiều song công hoàn toàn qua kết nối TCP duy trì liên tục giữa máy chủ và ESP32 trung tâm), ESP-NOW (giao thức mạng không dây cục bộ điểm - điểm của Espressif, cho phép các board ESP32 truyền nhận dữ liệu trực tiếp mà không cần bộ định tuyến router).

Về công nghệ phần mềm:

• Phía máy chủ (Backend): Ngôn ngữ lập trình PHP thực thi các tiến trình xử lý logic, quản lý phiên và kết nối cơ sở dữ liệu MySQL.
• Phía giao diện (Frontend): HTML, CSS và JavaScript xây dựng giao diện tương tác trên nền web.
• Trợ lý ảo: Ứng dụng Siri trên hệ điều hành iOS kết hợp ứng dụng "Phím tắt" (Shortcuts) để gửi dữ liệu điều khiển qua HTTP lên server.
• Thư viện xử lý ảnh: Thư viện Face-api.js xây dựng trên nền tảng TensorFlow.js của Vincent Mühler, cho phép trích xuất đặc trưng và nhận diện khuôn mặt trực tiếp trong môi trường JavaScript.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai bao gồm: phân tích thiết kế hệ thống IoT phân tầng, chế tạo mạch phần cứng thực nghiệm, lập trình tích hợp đa giao thức truyền thông và tiến hành đo đạc thông số thực tế để đánh giá hiệu năng của các phân hệ.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc phân tán kết hợp mạng lai (hybrid network), bao gồm một máy chủ trung tâm (Server), một board ESP32 trung tâm đóng vai trò Gateway, một board ESP32-CAM và hai board ESP32 node thực thi.

Thiết bị / Module	Chuẩn giao tiếp	Điện áp hoạt động	Chức năng chính trong hệ thống
ESP32 LuaNode32 (Trung tâm)	WebSocket, ESP-NOW	5VDC (Micro USB)	Làm Gateway kết nối Server qua WebSocket và giao tiếp với 2 ESP32 node qua ESP-NOW
ESP32 Node 1 (Cửa ra vào)	ESP-NOW, UART, SPI	5VDC (Micro USB)	Điều khiển mở khóa cửa, đọc vân tay AS608, thẻ RFID RC522, cảm biến PIR SR602, chuông
ESP32 Node 2 (Phòng khách)	ESP-NOW, I2C, 1-wire, PWM	5VDC (Micro USB)	Đọc AM2320, cảm biến mưa, điều khiển rèm qua servo SG90, đèn LED phòng khách, LED RGB WS2812
ESP32-CAM	WiFi (HTTP / Stream)	5VDC (Micro USB)	Chụp ảnh người tại cửa, truyền ảnh lên server phục vụ nhận diện khuôn mặt và gửi mail cảnh báo
Cảm biến vân tay AS608	UART (TTL)	3.3VDC	Quét, trích xuất và xác thực vân tay người dùng lưu trữ tại bộ nhớ trong (tối đa 200 mẫu)
Đầu đọc thẻ RFID RC522	SPI	3.3VDC	Đọc mã thẻ từ tần số 13.56 MHz (chuẩn ISO14443A/MIFARE)
Cảm biến nhiệt - ẩm AM2320	I2C	3.5VDC	Đo nhiệt độ và độ ẩm phòng khách, gửi dữ liệu định kỳ
Đèn LED RGB WS2812	1-wire	5VDC	Hiển thị ánh sáng trang trí theo bảng màu tùy chọn hoặc đổi màu ngẫu nhiên
Động cơ Servo SG90	PWM	4.8V–6VDC	Kéo rèm cửa tự động khi có tín hiệu mưa hoặc hẹn giờ

Cơ chế truyền thông và xử lý luồng dữ liệu của hệ thống:

1. Đồng bộ kênh truyền WiFi và ESP-NOW: Để giao thức ESP-NOW và WebSocket cùng hoạt động song song trên vi điều khiển ESP32 trung tâm, kênh truyền của ESP-NOW phải trùng với kênh của mạng WiFi mà ESP32 đang kết nối. Quy trình khởi tạo: ESP32 trung tâm đọc kênh truyền của mạng WiFi hiện tại, sau đó gửi giá trị kênh này qua kênh mặc định (kênh 1) tới các board ESP32 node. Các node nhận dữ liệu và tái thiết lập kết nối ESP-NOW theo đúng kênh truyền của WiFi. Nếu mất kết nối với trung tâm, các node tự động chuyển sang chế độ hoạt động độc lập (offline mode), cho phép điều khiển thiết bị tại chỗ thông qua nút nhấn vật lý.
2. Cấu hình WiFi qua Captive Portal: Khi chưa có thông tin mạng, ESP32 tự phát một mạng WiFi dự phòng (Access Point). Người dùng kết nối vào mạng này để mở giao diện web quét danh sách các WiFi xung quanh, lựa chọn mạng và nhập mật khẩu. ESP32 lưu trữ cấu hình vào bộ nhớ để tự động kết nối lại ở các lần khởi động sau.
3. Phân hệ mở cửa đa phương thức:
   • Khuôn mặt: Cảm biến hồng ngoại SR602 phát hiện chuyển động trước cửa, kích hoạt ESP32-CAM chụp ảnh và tải về máy tính/server. Thư viện Face-api.js tiến hành so sánh với tập ảnh gốc đã huấn luyện; nếu độ chính xác đạt ngưỡng quy định, lệnh mở cửa được gửi về ESP32.
   • Thẻ từ RFID và vân tay: Người dùng quẹt thẻ qua RC522 hoặc đặt ngón tay lên AS608. ESP32 kiểm tra dữ liệu với mã thẻ/vân tay đã đăng ký trong bộ nhớ. Nếu hợp lệ, tín hiệu điều khiển mở cửa được kích hoạt đồng thời trạng thái được cập nhật lên server qua WebSocket.
4. Phân hệ cảnh báo an ninh: Khi phát hiện thẻ từ không hợp lệ hoặc quét vân tay sai vượt quá số lần quy định, ESP32 kích hoạt chuông cửa reo cảnh báo tại chỗ, đồng thời gửi tín hiệu khẩn lên server. Server trích xuất hình ảnh mới nhất chụp từ ESP32-CAM và tự động gửi email cảnh báo kèm ảnh đính kèm tới địa chỉ Gmail của gia chủ.
5. Điều khiển bằng giọng nói: Người dùng kích hoạt Siri trên thiết bị iOS bằng câu lệnh định sẵn. Siri khởi chạy ứng dụng "Phím tắt" (Shortcuts) để gửi yêu cầu HTTP đến máy chủ web. Máy chủ xử lý dữ liệu và đẩy lệnh điều khiển qua WebSocket xuống ESP32.
6. Thiết kế cơ sở dữ liệu MySQL: Hệ thống lưu trữ và quản lý thông tin thông qua 4 bảng dữ liệu:
   • Bảng thông tin người dùng: Lưu trữ tài khoản, mật khẩu đã mã hóa và quyền hạn (admin/user).
   • Bảng thông tin dấu vân tay của người dùng: Lưu trữ danh sách định danh và tên người dùng đã đăng ký vân tay trên module AS608.
   • Bảng các trạng thái điều khiển: Lưu trạng thái bật/tắt của đèn, rèm, chế độ mở cửa và cấu hình mốc thời gian hẹn giờ của thiết bị.
   • Bảng giá trị nhiệt độ độ ẩm: Lưu trữ 6 giá trị nhiệt độ, độ ẩm đo đạc của 6 giờ gần nhất để hiển thị biểu đồ theo dõi trên giao diện web.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan đề tài

Chương 1 trình bày tổng quan về cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 và vai trò trung tâm của IoT trong việc liên kết các thiết bị thông minh. Tác giả khảo sát các giải pháp nhà thông minh thương mại tiêu biểu tại Việt Nam (BKAV, LUMI, ASIS, THHOME), phân tích chi tiết tính năng của hệ sinh thái chiếu sáng Bkav (điều khiển qua smartphone, giọng nói, hẹn giờ). Từ đó, tác giả nêu bật hai hạn chế căn bản của giải pháp thương mại: chi phí đầu tư rất lớn và rủi ro gián đoạn hoạt động hoàn toàn khi mất điện hoặc mất kết nối mạng. Trên cơ sở này, chương 1 xác định rõ mục tiêu nghiên cứu và giới hạn chức năng cần xây dựng cho mô hình căn hộ chung cư gồm hai phân khu chính: cửa ra vào và phòng khách.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng phần cứng, chuẩn giao tiếp và công nghệ phần mềm được ứng dụng trong đồ án:

• Nghiên cứu chi tiết cấu tạo, sơ đồ chân và thông số hoạt động của 8 thành phần phần cứng: ESP32 NodeMCU LuaNode32 (38 chân, 520 KB SRAM), ESP32-CAM OV2640, cảm biến vân tay quang học AS608, module đọc thẻ RFID RC522 (tần số 13.56 MHz), cảm biến nhiệt - ẩm AM2320, mạch hiển thị 12 LED NEOPixel WS2812, cảm biến chuyển động hồng ngoại SR602 và động cơ servo SG90 360 độ.
• Phân tích cơ chế truyền thông của 3 chuẩn giao tiếp vi điều khiển: I2C (2 dây SDA/SCL), SPI (4 dây MOSI/MISO/SCLK/SS) và UART (2 dây TX/RX).
• Phân tích nguyên lý, chu trình hoạt động, ưu điểm và nhược điểm của 3 giao thức mạng: HTTP (chu trình yêu cầu - phản hồi tuần tự), WebSocket (kết nối song công liên tục qua TCP) và giao thức không dây ESP-NOW (kết nối ngang hàng trực tiếp giữa các chip ESP32 mà không phụ thuộc vào router).
• Giới thiệu tổng quan về ngôn ngữ lập trình PHP, bộ công nghệ HTML/CSS và thư viện xử lý học máy nhận dạng khuôn mặt Face-api.js trên nền tảng TensorFlow.js.

Chương 3. Phân tích và thiết kế hệ thống

Chương 3 tập trung xây dựng kiến trúc phân tầng và thiết kế luồng xử lý chi tiết cho từng chức năng của hệ thống:

• Thiết lập sơ đồ kiến trúc tổng thể liên kết giữa Server (PHP/MySQL), ESP32 trung tâm, 2 node ESP32 và ESP32-CAM.
• Xây dựng 12 sơ đồ thuật toán luồng dữ liệu chi tiết cho các chức năng: mở cửa bằng khuôn mặt; mở cửa bằng thẻ từ RFID; mở cửa bằng vân tay; điều khiển thiết bị qua website; điều khiển thiết bị qua nút nhấn vật lý; hẹn giờ bật/tắt thiết bị (điều hòa, rèm); đóng mở rèm tự động theo cảm biến mưa; đổi màu đèn RGB (chọn màu tùy biến và tự động đổi màu ngẫu nhiên); thêm dấu vân tay; xóa dấu vân tay (xóa đơn lẻ hoặc xóa tất cả); điều khiển thiết bị bằng giọng nói qua Siri; cảnh báo người lạ qua chuông và Gmail; quy trình thiết lập WiFi dự phòng qua Captive Portal; quy trình đồng bộ kênh truyền giữa WiFi và ESP-NOW.
• Thiết kế cấu trúc các trang giao diện người dùng trên nền web: giao diện đăng nhập (phân quyền admin và user), đổi mật khẩu, thêm user, xóa user, trang chủ điều khiển dành cho user và trang chủ mở rộng dành riêng cho admin.
• Thiết kế lược đồ cơ sở dữ liệu MySQL gồm 4 bảng dữ liệu lưu trữ người dùng, vân tay, trạng thái điều khiển và lịch sử nhiệt độ - độ ẩm.

Chương 4. Hiện thực và đánh giá kết quả

Chương 4 mô tả quá trình chế tạo mô hình phần cứng thực tế và kiểm thử chức năng hệ thống:

• Hiện thực mô hình phần cứng: Chế tạo hộp mô hình hoàn chỉnh cho hệ thống cửa ra vào (ESP32-CAM, RC522, AS608, SR602, chuông, LED chỉ thị trạng thái khóa) và mô hình phòng khách (AM2320, cảm biến mưa, động cơ kéo rèm, các LED biểu thị đèn và máy lạnh, nút bấm cơ học, LED RGB). Toàn bộ hai mô hình được cấp nguồn vận hành độc lập qua các cổng Micro USB 5V.
• Triển khai giao diện phần mềm: Hoàn thiện các trang web chức năng (đăng nhập, phân quyền admin/user, cấu hình vân tay, bảng điều khiển thiết bị, biểu đồ nhiệt độ - độ ẩm), giao diện phím tắt iOS kích hoạt Siri, và mẫu email gửi hình ảnh cảnh báo đột nhập tự động qua Gmail.
• Kiểm thử và đo đạc: Tiến hành đo lường thông số thực tế, tổng hợp kết quả nhận diện khuôn mặt theo các trường hợp dữ liệu ảnh mẫu (Bảng 4.1) và thời gian thực thi của từng bước xử lý trong thuật toán Face-api.js (Bảng 4.2).

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành việc nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình hệ thống điều khiển tự động cho căn hộ chung cư với các kết quả cụ thể:

• Chế tạo thành công 02 mô hình phần cứng độc lập đại diện cho khu vực cửa ra vào và phòng khách, vận hành ổn định trên nguồn điện 5VDC qua cổng Micro USB.
• Tích hợp thành công 4 phương thức mở khóa cửa bao gồm: nhận dạng khuôn mặt thông qua ESP32-CAM và thư viện Face-api.js, xác thực thẻ từ RFID qua RC522 (tần số 13.56 MHz), quét vân tay quang học qua cảm biến AS608 (lưu trữ 200 mẫu vân tay) và kích hoạt trực tiếp từ giao diện website.
• Tự động hóa thành công các tiện ích phòng khách: rèm cửa tự động đóng khi cảm biến mưa phát hiện nước và mở khi tạnh mưa; hỗ trợ hẹn giờ bật/tắt cho điều hòa và rèm cửa; điều khiển dải đèn trang trí NEOPixel WS2812 hiển thị 160.000 màu; tích hợp nút nhấn vật lý đổi trạng thái trực tiếp.
• Hiện thực hóa tính năng điều khiển thiết bị bằng giọng nói thông qua trợ lý ảo Siri trên hệ điều hành iOS kết hợp ứng dụng Phím tắt, chuyển tiếp lệnh điều khiển về server theo thời gian thực.
• Xây dựng thành công cơ chế an ninh hai lớp: tự động reo chuông cảnh báo tại chỗ khi nhập sai thẻ/vân tay quá số lần quy định, đồng thời server thu nhận ảnh chụp từ ESP32-CAM để gửi thư cảnh báo khẩn cấp đến Gmail người dùng.
• Xây dựng hoàn chỉnh website quản trị trên nền tảng PHP và MySQL, phân định rõ ràng quyền hạn giữa tài khoản quản trị viên (admin) và người dùng tiêu chuẩn (user), lưu trữ lịch sử 6 giá trị nhiệt độ và độ ẩm của 6 giờ trước đó.

Đóng góp kỹ thuật mà tác giả tự nêu trong công trình bao gồm:

1. Đề xuất và hiện thực hóa thành công giải pháp mạng lai kết hợp giữa WebSocket và ESP-NOW: Sử dụng board ESP32 trung tâm làm cầu nối giữa mạng diện rộng (kết nối server qua WebSocket) và mạng cục bộ không dây (kết nối các node qua ESP-NOW). Giải pháp này giải phóng tải cho router WiFi gia đình, giảm độ trễ truyền thông nội bộ.
2. Xây dựng thuật toán đồng bộ kênh truyền tần số vô tuyến tự động giữa WiFi và ESP-NOW, khắc phục hiện tượng xung đột kênh khi hai giao thức cùng vận hành trên một chip vi điều khiển ESP32.
3. Đề xuất giải pháp dự phòng mất kết nối (offline mode): Khi hệ thống mất kết nối mạng Internet hoặc mất liên lạc với ESP32 trung tâm, các node ESP32 ngoại vi vẫn duy trì khả năng điều khiển thiết bị tại chỗ thông qua công tắc nút nhấn vật lý và đóng mở cửa bằng thẻ từ/vân tay cục bộ. Điều này giải quyết trực tiếp nhược điểm "tê liệt khi mất mạng" của các hệ sinh thái nhà thông minh thương mại hiện nay với chi phí phần cứng rất thấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo nội dung và phạm vi được tác giả trình bày trong văn bản khóa luận:

• Hạn chế:
  • Hệ thống mới dừng lại ở mức độ chế tạo mô hình thực nghiệm (prototype) quy mô nhỏ phục vụ nghiên cứu và kiểm thử.
  • Các tải tiêu thụ điện công suất lớn trong căn hộ (như máy lạnh, hệ thống đèn chiếu sáng chính, chốt cửa điện tử) mới được mô phỏng thông qua các linh kiện LED chỉ thị và động cơ servo nhỏ, chưa được đấu nối trực tiếp với thiết bị điện xoay chiều 220VAC thực tế thông qua các mạch rơ-le công suất.
  • Chức năng xử lý nhận diện khuôn mặt phụ thuộc vào máy chủ hoặc trình duyệt chạy Face-api.js để tính toán đặc trưng hình ảnh; vi điều khiển ESP32-CAM chỉ đảm nhiệm vai trò chụp và truyền tải ảnh JPEG thô.
  • Hệ thống chưa tích hợp khối nguồn dự phòng (pin lưu điện/UPS) cho các board điều khiển khi mạng lưới điện sinh hoạt của căn hộ bị ngắt.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Mở rộng tích hợp các mạch điều khiển công suất (rơ-le, triac) có bảo vệ cách ly quang để kết nối và điều khiển trực tiếp các thiết bị điện 220V thực tế trong căn hộ.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa giải thuật nhận dạng khuôn mặt để có thể xử lý biên (Edge AI) ngay trên các dòng vi điều khiển có hỗ trợ tăng tốc AI mà không cần truyền ảnh về máy chủ trung tâm.
  • Bổ sung module quản lý nguồn dự phòng tự động chuyển mạch khi mất điện lưới để duy trì an ninh liên tục cho hệ thống cửa.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận có giá trị tham khảo học thuật và ứng dụng thực tiễn rõ ràng cho:

• Sinh viên, học viên các ngành Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đang thực hiện đồ án môn học, khóa luận tốt nghiệp về lĩnh vực Hệ thống nhúng và Internet vạn vật (IoT).
• Các nhà phát triển hệ thống quan tâm đến kiến trúc mạng không dây cục bộ tiêu thụ năng lượng thấp và giải pháp tích hợp trợ lý ảo điều khiển thiết bị gia dụng.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu trong tài liệu bao gồm:

• Thiết kế giải pháp kỹ thuật phối hợp giữa giao thức ESP-NOW và WebSocket trên dòng vi điều khiển ESP32, đặc biệt là quy trình lấy thông tin kênh truyền WiFi để đồng bộ hóa cho mạng ESP-NOW.
• Quy trình tích hợp trợ lý ảo Apple Siri trên hệ điều hành iOS với máy chủ điều khiển thông qua ứng dụng Phím tắt (Shortcuts) bằng phương thức gửi dữ liệu HTTP.
• Giải pháp thiết lập mạng WiFi dự phòng dạng Captive Portal trên ESP32 để quét và lưu trữ thông tin mạng nội bộ mà không cần nạp lại mã nguồn phần sụn (firmware).

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống xử lý như thế nào khi căn hộ bị mất kết nối mạng Internet hoặc mất liên lạc với vi điều khiển ESP32 trung tâm?

Khi mất kết nối mạng WiFi hoặc mất liên lạc với board ESP32 trung tâm, các board ESP32 node tại phòng khách và cửa ra vào sẽ tự động chuyển sang chế độ không kết nối (offline mode). Ở chế độ này, chức năng điều khiển từ xa qua website bị vô hiệu hóa, nhưng các thiết bị điện trong nhà vẫn có thể được điều khiển bật/tắt trực tiếp tại chỗ thông qua hệ thống nút nhấn vật lý. Cửa ra vào vẫn duy trì khả năng mở khóa bằng thẻ từ RFID và cảm biến vân tay AS608 nhờ cơ sở dữ liệu mẫu thẻ và mẫu vân tay được lưu trữ trực tiếp trong bộ nhớ cục bộ của module.

2. Tại sao cần phải thực hiện quy trình đồng bộ kênh truyền giữa giao thức ESP-NOW và mạng WiFi trên ESP32 trung tâm?

Cả giao thức WiFi và giao thức ESP-NOW trên dòng chip ESP32 đều sử dụng chung một khối vô tuyến tần số 2.4 GHz. Do đó, để board ESP32 trung tâm có thể vừa duy trì kết nối WebSocket với server qua mạng WiFi gia đình, vừa truyền nhận dữ liệu đồng thời với các board ESP32 node qua giao thức ESP-NOW, toàn bộ các thiết bị tham gia mạng ESP-NOW bắt buộc phải hoạt động trên cùng một kênh tần số (channel) với mạng WiFi đang kết nối. Board trung tâm sẽ đọc kênh của WiFi hiện tại, gửi giá trị này qua kênh mặc định (kênh 1) để các node ESP32 tự động cấu hình lại kênh ESP-NOW tương ứng, tránh xung đột tần số.

3. Cơ chế cảnh báo an ninh khi có người lạ cố tình mở cửa trái phép hoạt động ra sao?

Cơ chế cảnh báo an ninh được kích hoạt khi có đối tượng sử dụng thẻ từ chưa đăng ký hoặc quét dấu vân tay sai vượt quá số lần quy định trên các đầu đọc tại cửa ra vào. Khi đó, vi điều khiển ESP32 node cửa sẽ lập tức kích hoạt chuông cảnh báo tại chỗ kêu để cảnh báo, đồng thời gửi tín hiệu báo động lên máy chủ web. Máy chủ sẽ truy xuất dữ liệu hình ảnh vừa được chụp bởi board ESP32-CAM đặt tại cửa và tự động tạo một thông báo gửi kèm hình ảnh chụp khuôn mặt kẻ xâm nhập đến hòm thư Gmail của chủ căn hộ.

4. Phân hệ điều khiển thiết bị bằng giọng nói được hiện thực hóa dựa trên kiến trúc công nghệ nào?

Tính năng điều khiển bằng giọng nói sử dụng trợ lý ảo Siri trên hệ điều hành iOS. Người dùng thiết lập các câu lệnh điều khiển định sẵn thông qua ứng dụng "Phím tắt" (Shortcuts) tích hợp trên điện thoại. Khi người dùng đọc câu lệnh bằng giọng nói, Siri sẽ tự động kích hoạt ứng dụng "Phím tắt" để thực hiện gửi dữ liệu điều khiển lên máy chủ web qua yêu cầu HTTP. Máy chủ web PHP tiếp nhận dữ liệu và gửi tín hiệu điều khiển xuống board ESP32 trung tâm qua kết nối WebSocket để điều khiển thiết bị đích tương ứng.

5. Cơ sở dữ liệu MySQL của hệ thống được tổ chức thành những bảng nào và thông số môi trường được lưu trữ ra sao?

Hệ thống sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL gồm 4 bảng dữ liệu chính: bảng thông tin người dùng (lưu tài khoản, mật khẩu), bảng thông tin dấu vân tay của người dùng (lưu danh sách tên người dùng đã đăng ký vân tay), bảng các trạng thái điều khiển (lưu trạng thái bật/tắt thiết bị, các chế độ mở cửa và mốc thời gian hẹn giờ) và bảng giá trị nhiệt độ độ ẩm. Đối với thông số môi trường, hệ thống tiến hành lưu trữ 6 giá trị nhiệt độ và độ ẩm tương ứng với 6 giờ trước đó để phục vụ việc trích xuất và hiển thị dữ liệu lịch sử trên giao diện trang chủ của website.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Hệ thống điều khiển tự động cho căn hộ chung cư" của tác giả Lê Đình Thành đã thiết kế và chế tạo thành công một mô hình nhà thông minh hoàn chỉnh, kết hợp hài hòa giữa phần cứng nhúng dòng vi điều khiển ESP32 và hệ thống máy chủ web quản trị PHP/MySQL. Nghiên cứu giải quyết tốt bài toán kiểm soát an ninh đa phương thức tại cửa ra vào (khuôn mặt, vân tay, thẻ từ RFID) cùng các tiện ích tự động hóa phòng khách và cảnh báo xâm nhập qua Gmail. Điểm nổi bật về mặt kỹ thuật của đồ án là việc kết hợp hiệu quả giữa giao thức WebSocket và mạng không dây ESP-NOW, mang lại giải pháp điều khiển chi phí thấp, tối ưu hóa đường truyền nội bộ và duy trì hoạt động ngoại tuyến ổn định qua nút bấm vật lý khi gặp sự cố mạng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TONG QUAN ĐÈ TÀII. Tinh hình trong và ngoai nue. Tổng quan đề tài.--2¿- 2£ ©2£2S£2EE+2EE+EEESEEE2EEtEEEerxesrxerrxee 4 2.

Tìm hiểu về ESP32-LuaNode32. Tìm hiểu về ESP32-CAM. Tìm hiểu về cảm biến vân tay AS608. Tìm hiểu về thẻ từ RC522.

Tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ, độ âm AM2320. Tìm hiểu về mạch hiển thị đèn LED NEOPixel WS2812. Tìm hiểu về cảm biến chuyển động hồng ngoại SR602. Tìm hiểu về động cơ Servo SG90.

Chuẩn giao tiẾp I2C. Chuẩn giao tiếp SPLoo. Chuan giao tiếp UART.--2-©2¿52+EE‡2E2EE2EEEEEE2E2E12712E 2121 EEerreei 14 2. Tìm hiểu về PHP.--2-2¿©2++2++Ek‡EE2EEEEEE2EE2E211221271 7121.

Tìm hiểu về HTML, CSS.-¿- 2-5-2 22EE+EE£EEEEEEEEEEEEEECEErrkerkerveee 16 2. Tìm hiểu về giao thức HTTP. Tim hiểu về giao thức WebSocket. Tim hiểu về giao thức ESP-NOW.

Tìm hiểu về thư viện nhận dạng khuôn mặt Face-apI. PHAN TICH VÀ THIẾT KE HỆ THÓNG. Phân tích mô hình hệ thống .- ¿2 2¿©+¿+++£+++Ex++Extzx+erxezrxrrrxees 26 3. Thiết kế chức năng mở cửa ra vào bằng khuôn mặt.

Thiết kế chức năng mở cửa ra vào bang thẻ từ RFID. Thiết kế chức năng mở cửa ra vào băng vân tay. Thiết kế chức năng điều khién các thiết bị bằng website và nút nhấn. Thiết kế chức năng hẹn giờ cho thiết bị.

Thiết kế chức năng rèm cửa tự động.--------¿2 s+cx+rx+rzrserserreee 31 3. Thiết kế đèn trang tri RGB o. Thiết kế chức năng thêm, xóa dấu vân tay cho người dùng. Thiết kế chức năng điều khiển thiết bị bằng giọng nói.

_ Thiết kế hệ thống cảnh báo người lạ. Thiết kế giao diện người dùng. Thiết kế chức năng kết nối WiFi cho ESP32 và giao tiếp giữa các ESP32 bang giao thức ESP-NOW. Lưu trữ và truy van dữ liệu trên đatabase.-- 2 2 2s s£s+zxzcszẻ 37 Chương 4.

Pan MOM nh. Thông số đo đạc, đánh gid.ccececccsscssessesessessseesessessessesssssssssessessessessease 47 AA, Tóm tắt Kết Quả. KÉT LUẬN VÀ HƯỚNG PHAT TRIỂN. 54 DANH MỤC HÌNH Hình 2.2 ESP32-CAM 0PEEESSh.3 Mô dun cảm biến vân tay veecceccessessssssessessessesssessessessessssssecsessusssessecsessssseeseese 6 Hinh 2.5 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm AM2320.6 Mạch Hiền Thị NEOPixel.7 Cảm biến chuyển động PIR veccecceccescescessessssessessessessessesssssessssessessesseesessesseaes 11 Hình 2.8 Động cơ bước SGI wo.10 Mô hình giao thức SPI.

cv TH TH ng ket 14 Hình 2.11 Mô hình giao thức A NT. sec S5 HH HH HH hưệt 15 Hình 2.12 Mô hình giao thức: HTTP.13 Mô hình giao thức WebšSOCK©I.14 Mô hình giao thức E.1 Mô hình kiến trúc hệ thong .----©-+©2¿+e©++©E£+E++£E+EterEezr+reerxersee 26 Hình 3.2 Sơ đô chức năng mở cửa bằng khuôn mặt.-------:--¿©-sz©5e+cse+cs+2 27 Hình 3.3 Sơ đô chức năng mở cửa bằng thẻ từ RFID.- 2 2©se+s++s+ce+z+zszse2 28 Hình 3.4 Sơ đô chức năng mở cửa bằng vân tay .------¿©-s©-s=s+cx+ce+rserxecse+ 29 Hình 3.5 Sơ đô chức năng điêu khiển thiết bị bằng WebSite .6 Sơ đô điều khiển thiết bị bằng nút nhấn.7 Sơ đô chức năng hẹn giờ cho 0/7282PRERRRRERERERR.8 Sơ đô chức năng thêm dấu vân tay .------¿--c+©ce©5+ecse+cxecseerxesrsez 31 Hình 3.9 Sơ đô chức năng thêm dẫu vân tay .---- + ss+c£+c+te+kertertsreerssree 32 Hình 3.10 Sơ đô chức năng diéu khiển bằng giọng nói .-- 2+5 ©scs+csscse: 33 Hình 3.11 Sơ đô chức năng cảnh báo người ld .-- 2 e5e+ce+esctecterereresreee 34 Hình 3.12 Sơ đồ thiết lập kết nối WiFi cho E:ŠP.13 Sơ đô thiết lập kết noi các board ESP32 bằng giao thức ESP-NOW.1 Bên ngoài mô hình hệ thong CửA.---- c5 seSk+EE‡E+E+EtEEeEEerkerkerxerkee 38 Hình 4.2 Bên trong mô hình hệ thong CUO cesceccecsessessssssessessssssessecsessesssessessessssssecseeses 38 Hình 4.3 Bên ngoài mô hình phòng KAGCH woe.4 Bên trong mô hình phòng Khách .- - - «+ s s ke vre 39 Hình 4.5 Giao diện đăng nhẬpD. St HH ng HT Hư 40 Hình 4.6 Giao diện đổi mật khẩu.7 Giao dién AGING Ky 0nnẽẽn.8 Gido din XÓA USEP .9 Giao điện cài đặt VẬN tAY. SE HH kg kg rệt 42 Hình 4.10 Giao điện trang Chủ Cho đÌHÌH.

cv svkksseeereeereere 43 Hình 4.11 Giao điện trang Chủ CO HS€F. SG ve 43 Hình 4.12 Điều khiển bằng giọng nói sử dụng SirÌ.----¿©ce©cccccceersrrrerree 44 Hình 4.