Đồ án hệ thống giám sát cảm biến và điều khiển thiết bị điện qua LoRa ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát cảm biến và điều khiển thiết bị điện từ xa qua LoRa, MQTT, Node.js và MongoDB tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

• Tác giả: Nguyễn Tấn Đạt
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Ngọc Sơn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Điện – Điện tử
• Đề tài: Hệ thống giám sát cảm biến và điều khiển thiết bị điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống giám sát cảm biến và điều khiển thiết bị điện

Đề tài nghiên cứu tại Khoa Điện – Điện tử, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung xây dựng giải pháp IoT hoàn chỉnh. Hệ thống phục vụ giám sát môi trường và điều khiển phụ tải điện tại nhiều khu vực phân tán. Khoảng cách truyền thông đạt từ 2 đến 8 km trong thực tế. Cấu trúc hệ thống chia thành ba tầng chính gồm tầng thiết bị ngoại vi, tầng trung chuyển Gateway và tầng máy chủ trung tâm. Các trạm nút cảm biến đảm nhiệm đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và công suất tiêu thụ. Dữ liệu được đóng gói và truyền tải qua sóng vô tuyến công suất thấp. Thiết bị Gateway tiếp nhận tín hiệu và điều hướng dữ liệu về máy chủ thông qua giao thức mạng hiện đại. Nền tảng web cho phép người vận hành giám sát trực quan bằng biểu đồ thời gian thực. Cơ chế lập lịch tự động giúp cắt giảm điện năng lãng phí. Mô hình giải quyết triệt để nhu cầu quản trị tập trung tại các trang trại và nhà xưởng.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu và phạm vi ứng dụng

Nghiên cứu hướng tới việc xây dựng mạng lưới điều khiển thông minh trên diện rộng. Hệ thống khắc phục giới hạn địa lý thông thường nhờ công nghệ vô tuyến tiên tiến. Phạm vi hoạt động vươn tới 8 km mà không cần hạ tầng dây dẫn phức tạp. Dự án tích hợp các cảm biến công nghiệp để đo lường thông số vật lý liên tục. Kết quả đo được lưu trữ đầy đủ nhằm phục vụ phân tích xu hướng vận hành. Ứng dụng thực tế trải rộng từ nông nghiệp thông minh đến quản lý năng lượng tòa nhà. Người vận hành chỉ cần truy cập trang web để cấu hình ngưỡng cảnh báo. Thiết bị chấp hành sẽ tự kích hoạt khi chỉ số môi trường vượt mức quy định.

1.2. Cấu trúc tổng thể của hệ thống giám sát

Kiến trúc phần cứng gồm ba thành phần kết nối chặt chẽ. Khối nút cảm biến đặt trực tiếp tại các vị trí cần theo dõi. Mỗi nút chứa vi điều khiển và mô-đun phát tín hiệu vô tuyến. Khối Gateway giữ vai trò cổng giao tiếp trung gian. Gateway nhận gói tin từ các nút con và chuyển tiếp đến máy chủ đám mây. Tầng máy chủ sử dụng nền tảng Node.js kết hợp cơ sở dữ liệu MongoDB. Máy chủ tiếp nhận dữ liệu, xử lý nghiệp vụ và điều khiển chấp hành. Giao diện người dùng thể hiện dữ liệu trực quan bằng đồ thị. Mọi thao tác điều khiển thiết bị điện được xác nhận tức thời. Cấu trúc này tối ưu tốc độ truyền và tiết kiệm điện năng cho toàn bộ hệ thống.

II. Vấn đề của hệ thống giám sát cảm biến và điều khiển thiết bị điện

Các mô hình quản lý giám sát truyền thống bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng khi mở rộng quy mô. Việc kéo dây tín hiệu vật lý đòi hỏi chi phí đầu tư rất lớn. Địa hình đồi núi hoặc nhà xưởng rộng gây khó khăn cho việc bảo trì đường dây. Những sóng không dây khoảng cách ngắn như Wi-Fi hay Bluetooth tiêu tốn quá nhiều năng lượng. Các sóng vô tuyến này cũng bị suy hao mạnh khi gặp vật cản bê tông và kim loại. Ngoài ra, việc thiếu cơ chế phân luồng dữ liệu chuẩn hóa dẫn tới tắc nghẽn đường truyền. Máy chủ dễ bị quá tải khi hàng loạt thiết bị ngoại vi gửi yêu cầu đồng thời. Cơ sở dữ liệu quan hệ bảng truyền thống không còn phù hợp với dữ liệu cảm biến thay đổi liên tục. Cấu trúc bảng cứng nhắc gây chậm trễ trong các truy vấn dữ liệu lịch sử lớn. Tình trạng mất kết nối mạng thường làm gián đoạn các lệnh điều khiển khẩn cấp. Người vận hành vì thế gặp nhiều rủi ro khi giám sát thiết bị từ xa.

2.1. Rào cản về khoảng cách và mức tiêu thụ điện

Khoảng cách truyền tín hiệu là trở ngại hàng đầu trong các dự án IoT diện rộng. Các tiêu chuẩn mạng thông thường như Wi-Fi chỉ phủ sóng dưới 100 mét. Mạng viễn thông 4G lại đòi hỏi chi phí duy trì SIM hàng tháng rất cao. Đồng thời, các trạm đo ngoại vi thường hoạt động bằng nguồn pin độc lập. Mức tiêu hao năng lượng lớn khiến việc thay thế pin diễn ra liên tục. Điều này làm tăng chi phí bảo trì và gián đoạn dữ liệu vận hành. Tại khu công nghiệp lớn, vật cản kim loại gây nhiễu sóng nghiêm trọng. Tín hiệu bị suy giảm khiến các lệnh bật tắt thiết bị không thể đến đích. Hệ thống cần một phương thức vô tuyến tầm xa có mức tiêu thụ cực thấp.

2.2. Khó khăn trong quản lý dữ liệu và tải máy chủ

Việc xử lý khối lượng lớn luồng dữ liệu thời gian thực tạo gánh nặng lớn cho máy chủ. Các cảm biến gửi mẫu đo định kỳ mỗi giây sinh ra hàng triệu bản ghi mới. Nếu sử dụng cơ chế HTTP truyền thống, máy chủ liên tục khởi tạo phiên kết nối gây nghẽn băng thông. Cơ sở dữ liệu quan hệ dễ xuất hiện tình trạng khóa bảng khi ghi đồng thời. Tốc độ phản hồi của hệ thống sẽ giảm sút rõ rệt theo thời gian. Sự chậm trễ này tác động xấu đến khả năng điều khiển thiết bị kịp thời. Các sự cố quá nhiệt hoặc quá áp nếu không can thiệp sớm sẽ dẫn đến hư hại thiết bị. Một kiến trúc bất đồng bộ và cơ sở dữ liệu phi quan hệ là yêu cầu bắt buộc.

III. Giải pháp hệ thống giám sát cảm biến và điều khiển thiết bị điện

Đề tài tốt nghiệp tại ĐH SPKT TP.HCM đưa ra giải pháp tích hợp phần cứng và phần mềm toàn diện. Mạng không dây LoRa được ứng dụng làm xương sống truyền thông cho các nút cảm biến. Công nghệ này cho phép phát sóng tầm xa với năng lượng cực nhỏ. Tại trạm trung gian, Gateway đóng vai trò nhận gói tin LoRa và chuyển đổi thành giao thức MQTT. Giao thức MQTT hoạt động theo mô hình Xuất bản/Đăng ký nhẹ nhàng. Cơ chế này giảm thiểu dung lượng tiêu thụ mạng và phản hồi tức thì. Ở tầng máy chủ, hệ thống triển khai môi trường Node.js cùng Express.js theo mô hình MVC mẫu mực. Máy chủ phân tích dữ liệu JSON và lưu trữ trực tiếp vào cơ sở dữ liệu MongoDB. Cấu trúc tài liệu BSON của MongoDB giúp lưu trữ thông số linh hoạt mà không cần định hình bảng cứng nhắc. Hệ thống website cho phép người dùng điều khiển bật tắt thiết bị qua giao diện PUG thân thiện. Quá trình kiểm tra dữ liệu và thực thi lệnh diễn ra khép kín, an toàn và ổn định.

3.1. Ứng dụng truyền thông LoRa và giao thức MQTT

Mạng LoRa giải quyết bài toán truyền tín hiệu diện rộng với cự ly lên tới 8 km. Tần số vô tuyến thấp giúp tín hiệu xuyên qua nhiều chướng ngại vật trong môi trường thực địa. Dữ liệu từ các nút cảm biến sau khi tới Gateway sẽ được đẩy lên MQTT Broker. Giao thức MQTT sử dụng cơ chế Publish/Subscribe giúp tiết kiệm tối đa băng thông. Kích thước tiêu đề gói tin nhỏ chỉ vài byte. Máy chủ đăng ký chủ đề dataSensor để nhận thông số cảm biến liên tục. Khi người dùng ra lệnh điều khiển, máy chủ xuất bản thông điệp vào chủ đề gateway control. Mọi gói tin điều khiển đều được xác thực mức dịch vụ QoS nhằm đảm bảo lệnh gửi đi không bị thất lạc.

3.2. Thiết kế phần mềm Node.js và cơ sở dữ liệu MongoDB

Hệ thống ứng dụng kiến trúc MVC trên nền Node.js và Express.js để phân tách rõ ràng các tầng nghiệp vụ. Máy chủ Node.js xử lý tác vụ theo cơ chế đơn luồng bất đồng bộ non-blocking. Điều này cho phép phục vụ hàng ngàn yêu cầu đồng thời mà không nghẽn tài nguyên. Cơ sở dữ liệu MongoDB NoSQL lưu trữ dữ liệu dưới định dạng JSON linh hoạt. Mỗi bản ghi đo đạc tương ứng một tài liệu độc lập với dấu thời gian chuẩn xác. Giao diện trang web được tạo bằng công nghệ View Engine Pug giúp tối ưu tốc độ kết xuất trang. Các middleware như express-session và express-flash hỗ trợ kiểm soát phiên làm việc an toàn. Quản trị viên dễ dàng tra cứu lịch sử đo lường và theo dõi trạng thái thiết bị.

IV. Ứng dụng hệ thống giám sát cảm biến và điều khiển thiết bị điện

Đồ án tốt nghiệp tại ĐH SPKT TP.HCM đã hiện thực hóa thành công mô hình giám sát đa khu vực thông minh. Hệ thống chứng minh tính khả thi cao qua các bài thử nghiệm thực tế. Tốc độ thu nhận dữ liệu cảm biến diễn ra đều đặn và chuẩn xác. Các thao tác bật tắt tải điện phản hồi ngay lập tức sau khi nhấn nút trên giao diện web. Việc kết hợp mạng LoRa, MQTT, Node.js và MongoDB tạo nên giải pháp hoàn chỉnh từ biên tới đám mây. Mô hình đáp ứng xuất sắc yêu cầu giám sát môi trường trong nông nghiệp công nghệ cao. Các nông trại lớn có thể theo dõi độ ẩm đất và tự động kích hoạt máy bơm tưới tiêu. Trong môi trường công nghiệp, hệ thống kiểm soát chất lượng không khí và cảnh báo sớm nguy cơ cháy nổ. Ngoài ra, giải pháp còn phù hợp với các hệ thống quản lý năng lượng dân dụng quy mô lớn. Việc tự động lập lịch bật tắt phụ tải giúp giảm thiểu đáng kể hóa đơn tiền điện hàng tháng.

4.1. Hiệu quả triển khai trong sản xuất thực tế

Hệ thống mang lại giá trị thực tiễn vượt trội so với các giải pháp đơn lẻ. Chi phí đầu tư thiết bị phần cứng được tối ưu nhờ các linh kiện phổ biến. Thời gian lắp đặt rút ngắn đáng kể vì không phải đào đất kéo dây cáp. Trong nông nghiệp, hệ thống tự động tưới tiêu chính xác theo nhu cầu thực tế của cây trồng. Nguồn nước và phân bón được tiết kiệm tối đa. Tại các nhà xưởng cơ khí, thông số nhiệt độ và công suất tiêu thụ điện được theo dõi liên tục. Điều này ngăn ngừa sự cố chập điện do quá tải thiết bị. Người quản trị có thể kiểm tra mọi hoạt động thông qua điện thoại thông minh ở bất kỳ đâu.

4.2. Hướng phát triển và mở rộng trong tương lai

Dự án mở ra nhiều tiềm năng phát triển vượt bậc cho hệ sinh thái vạn vật kết nối. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào máy chủ. Thuật toán học máy sẽ dự đoán trước sự cố của máy móc dựa trên lịch sử cảm biến. Hệ thống cũng có thể nâng cấp thêm tính năng mã hóa dữ liệu đầu cuối. Việc này giúp bảo vệ tuyệt đối an toàn thông tin điều khiển cho các cơ sở trọng yếu. Bên cạnh đó, việc tích hợp nguồn pin năng lượng mặt trời tại các nút cảm biến sẽ kéo dài thời gian vận hành tự chủ. Mô hình hoàn toàn có thể nhân rộng để phục vụ xây dựng đô thị thông minh trong thời gian tới.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh Cách mạng công nghiệp lần thứ tư, việc ứng dụng Internet vạn vật (Internet of Things – IoT) để giám sát và điều khiển thiết bị từ xa đã trở thành xu hướng tất yếu trong sản xuất và đời sống. Tuy nhiên, việc triển khai các hệ thống IoT trên các khu vực có diện tích rộng lớn (như trang trại nông nghiệp công nghệ cao, khu công nghiệp hay khu dân cư phân tán) gặp nhiều trở ngại khi sử dụng các chuẩn kết nối không dây thông dụng như Wi-Fi hoặc Bluetooth. Các công nghệ này bộc lộ hạn chế về cự ly truyền dẫn ngắn, khả năng xuyên vật cản kém và mức tiêu hao năng lượng tương đối cao, gây khó khăn cho việc mở rộng quy mô. Từ thực tiễn đó, đề tài "Hệ thống giám sát cảm biến và điều khiển thiết bị điện" (tên đăng ký: "Xây dựng hệ thống quản lý cảm biến và điều khiển thiết bị điện đa khu vực") được thực hiện nhằm giải quyết bài toán truyền thông không dây tầm xa, công suất thấp bằng công nghệ LoRa kết hợp giao thức MQTT và ứng dụng web quản lý tập trung.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định theo các nội dung cụ thể:

1. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo phần cứng khối Node thu thập dữ liệu và khối Gateway định tuyến trung tâm dựa trên vi điều khiển ESP32 và module truyền thông LoRa.
2. Thiết lập mạng truyền thông không dây LoRa cho phép kết nối giữa các nút cảm biến và Gateway trong cự ly hoạt động từ 2 km đến 8 km.
3. Tích hợp các cảm biến môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng, chất lượng không khí) và mạch chấp hành relay điều khiển thiết bị điện.
4. Xây dựng hệ thống máy chủ biên và máy chủ đám mây sử dụng giao thức MQTT (Broker HiveMQ), backend nền tảng Node.js/Express.js và cơ sở dữ liệu MongoDB để lưu trữ dữ liệu lịch sử dạng chuỗi thời gian.
5. Phát triển giao diện website đa nền tảng bằng template engine Pug, cung cấp khả năng giám sát trực quan theo thời gian thực và hiện thực hóa 3 chế độ điều khiển thiết bị: thủ công, theo lịch trình và tự động theo ngưỡng cảm biến.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống giám sát và điều khiển IoT phân tán đa khu vực, bao gồm các mạch phần cứng nhúng thu thập dữ liệu và hạ tầng phần mềm quản lý trên máy chủ. Đồ án được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Tấn Đạt dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trương Ngọc Sơn tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, nghiệm thu vào tháng 12 năm 2025.

Phạm vi và giới hạn của đề tài:

• Số lượng và chủng loại thiết bị: Giới hạn điều khiển các thiết bị điện gia dụng cơ bản (đèn, quạt); giám sát tập trung vào các thông số nhiệt độ, độ ẩm (DHT11), chất lượng không khí tổng quát (MQ135) và ánh sáng (quang trở LDR); chưa tích hợp các cảm biến chuyên sâu như cảm biến bụi mịn PM2.5.
• Phạm vi triển khai: Thử nghiệm dừng lại ở mô hình thu nhỏ hoặc khu vực thực tế giới hạn (tối đa 2 đến 3 khu vực/phòng độc lập), chưa triển khai thực địa toàn diện trên quy mô tòa nhà phức hợp lớn.
• Mức độ xử lý: Tập trung vào giám sát thời gian thực, điều khiển từ xa và thiết lập logic tự động hóa cơ bản; chưa tích hợp các giải thuật học máy (Machine Learning) hay trí tuệ nhân tạo (AI) để phân tích dự báo và tối ưu hóa năng lượng nâng cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài tập trung vào các công nghệ truyền thông và nền tảng phần mềm hiện đại phục vụ kiến trúc IoT:

• Giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): Giao thức nhắn tin nhẹ hoạt động theo mô hình Publish/Subscribe qua một máy chủ môi giới (Broker) trung gian, chạy trên nền giao thức TCP/IP. Kiến trúc này phân tách hoàn toàn giữa bên gửi (Publisher) và bên nhận (Subscriber) thông qua các chủ đề (Topics). Hệ thống vận dụng 3 mức chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS):

Mức QoS	Tên gọi	Độ tin cậy	Số bước bắt tay	Các gói tin xác nhận chính
QoS 0	At Most Once	Thấp nhất (gửi tối đa 1 lần, có thể mất)	1	Không có xác nhận
QoS 1	At Least Once	Trung bình (đảm bảo ít nhất 1 lần, có thể trùng)	2	PUBLISH, PUBACK
QoS 2	Exactly Once	Cao nhất (đảm bảo chính xác 1 lần)	4	PUBLISH, PUBREC, PUBREL, PUBCOMP

• Nền tảng máy chủ Node.js và Framework Express.js: Node.js hoạt động dựa trên V8 JavaScript Engine với kiến trúc hướng sự kiện (Event-driven) và mô hình I/O không chặn (Non-blocking I/O) trên một Event Loop đơn luồng, tối ưu cho việc xử lý đồng thời nhiều kết nối cảm biến. Express.js cung cấp bộ định tuyến (routing), xử lý RESTful API và quản lý các middleware trung gian:

Đặc tính	Node.js	Express.js
Bản chất	Nền tảng thời gian chạy (Runtime Environment)	Framework phát triển ứng dụng web
Nền tảng xây dựng	Xây dựng dựa trên V8 JavaScript Engine của Google	Xây dựng trên nền tảng Node.js
Ngôn ngữ chính	C, C++, JavaScript	JavaScript
Cơ chế định tuyến	Không hỗ trợ sẵn, phải tự xây dựng	Được tích hợp sẵn hệ thống Router mạnh mẽ
Bộ điều khiển & Middleware	Không hỗ trợ mặc định	Hỗ trợ cấu trúc Controller và Middleware có hệ thống

Hệ thống sử dụng các middleware chuyên dụng: body-parser (phân tích cú pháp dữ liệu gửi lên), cookie-parser (đọc cookie phiên làm việc), express-session (quản lý phiên trên máy chủ), express-flash (hiển thị thông báo tức thời) và method-override (hỗ trợ ghi đè phương thức HTTP).

• Hệ quản trị cơ sở dữ liệu NoSQL MongoDB: Cơ sở dữ liệu hướng tài liệu lưu trữ thông tin dưới dạng Document JSON/BSON nhị phân (dung lượng tối đa 16 MB cho mỗi document). MongoDB không đòi hỏi định nghĩa schema cố định (schema-less), hỗ trợ đánh chỉ mục (indexing), truy vấn ad-hoc, tổng hợp dữ liệu (aggregation) và phân mảnh ngang (sharding), thích hợp lưu trữ dữ liệu chuỗi thời gian từ cảm biến.
• View Engine Pug: Công cụ mẫu giao diện cho Node.js với cú pháp cô đọng dựa trên thụt lề, loại bỏ các thẻ đóng HTML, hỗ trợ cơ chế kế thừa layout (Template Inheritance) và khối tái sử dụng (Mixins).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu chuyên ngành về hệ thống nhúng, giao thức LoRa, MQTT và kiến trúc phần mềm MVC.
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Tính toán, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tử cho khối nguồn, khối vi điều khiển và khối cảm biến; thiết kế cơ sở dữ liệu và xây dựng luồng truyền nhận dữ liệu.
• Phương pháp thực nghiệm - kiểm thử chức năng: Chế tạo mạch in, lập trình firmware cho ESP32, cấu hình broker đám mây, xây dựng ứng dụng web và tiến hành kiểm tra đo đạc tín hiệu thực tế trên mô hình phòng thử nghiệm.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu là dữ liệu số đo thực nghiệm sơ cấp thu thập trực tiếp từ các đầu đọc cảm biến phần cứng (nhiệt độ, độ ẩm từ DHT11; điện áp biến đổi theo nồng độ khí từ MQ135; điện áp chia áp từ quang trở LDR) truyền về máy chủ theo thời gian thực.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh theo kiến trúc 3 khối liên kết chặt chẽ:

[Khối Phần Cứng]                [Khối Truyền Thông]            [Khối Ứng Dụng]
+-------------------+          +-------------------+          +-------------------+
| ESP Node          |          |                   |          | Backend Server    |
| (Cảm biến/Relay)  |--LoRa--->| Gateway (ESP32)   |--MQTT--->| (Node.js/Express) |
+-------------------+          | (Chuyển đổi gói)  | (HiveMQ) +---------+---------+
                               +-------------------+                    |
                                                              +---------+---------+
                                                              | MongoDB & Web Pug |
                                                              +-------------------+

1. Thiết kế phần cứng

Phần cứng được module hóa thành hai thiết bị chính:

• Khối Node (Thiết bị đầu cuối): Sử dụng vi điều khiển trung tâm ESP32-WROOM-32 (kiến trúc Tensilica Xtensa 32-bit LX6, xung nhịp lên đến 240 MHz, 448 KB ROM, 520 KB SRAM). Khối Node kết nối trực tiếp với:
  • Cảm biến ánh sáng (quang trở LDR qua mạch chia áp) nối vào chân ADC IO34.
  • Cảm biến chất lượng không khí MQ135 nối vào chân ADC IO32.
  • Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 giao tiếp Single-wire nối vào chân số IO25.
  • Khối thiết bị điều khiển gồm các Rơ-le (Relay) kích hoạt qua các chân GPIO Digital Output, đóng vai trò như công tắc cách ly điện áp điều khiển tải điện gia dụng.
  • Module truyền thông LoRa E32-433T30D kết nối qua giao tiếp nối tiếp với các chân chức năng: M0, M1 (điều khiển chế độ hoạt động), ESP_TX/LORA_RX, ESP_RX/LORA_TX và chân trạng thái AUX.
• Khối Gateway (Bộ định tuyến trung tâm): Cùng sử dụng vi điều khiển ESP32, tích hợp module LoRa E32-433T30D hoạt động ở chế độ thu liên tục (Receive Mode) để đón nhận gói tin từ các Node, giải mã cấu trúc dữ liệu LoRa và đóng gói thành chuỗi JSON tiêu chuẩn để chuyển tiếp lên Internet thông qua giao diện Wi-Fi tích hợp.
• Mạch nguồn (POWER 5V-3V3): Cả Node và Gateway đều sử dụng mạch nguồn hạ áp hai cấp nhận điện áp đầu vào 12V DC qua Jack JDC1:
  • Cấp 1: Sử dụng IC hạ áp xung Buck LM2576S-5 chuyển đổi từ 12V DC xuống 5V DC (cung cấp nguồn cho module LoRa, relay và nuôi cấp tiếp theo).
  • Cấp 2: Sử dụng IC LM2576S-3.3 (hoặc biến thể LM2676S-3.3) chuyển tiếp từ 5V xuống 3.3V DC cung cấp điện áp sạch cho vi điều khiển ESP32 và các mạch logic. Hệ thống tích hợp các cuộn cảm $100\mu\text{H}$, diode chỉnh lưu và hệ thống tụ lọc dung lượng $100\mu\text{F}$ và $220\mu\text{F}$ nhằm triệt tiêu độ gợn xung và chống nhiễu nguồn.
  • Mạch mở rộng các cổng giao tiếp chuẩn I2C (IO21, IO22), UART (IO26, IO27), SPI (MOSI, MISO, CLK, CS) cùng các chân hàng rào mở rộng IO32, IO33, IO34, IO35 phục vụ nâng cấp phần cứng.

Tác vụ	Khối Node	Khối Gateway
Xử lý cảm biến	Đọc tín hiệu DHT11 (IO25), MQ135 (IO32), LDR (IO34)	Không đọc trực tiếp cảm biến môi trường
Điều khiển chấp hành	Xuất tín hiệu kích ngắt Relay qua GPIO	Không điều khiển trực tiếp tải ngoại vi
Giao tiếp LoRa	Đóng gói dữ liệu cảm biến, phát định kỳ lên Gateway	Thường trực lắng nghe gói tin từ tất cả Node
Giao tiếp Internet/MQTT	Không kết nối trực tiếp Internet	Dùng Wi-Fi/PubSubClient kết nối MQTT HiveMQ
Chuyển đổi giao thức	Chuyển dữ liệu cảm biến thành gói LoRa thô	Chuyển đổi dữ liệu LoRa sang chuỗi JSON MQTT và ngược lại

2. Thiết kế phần mềm và cấu trúc dữ liệu

• Giao thức và phân cấp Topic MQTT:
  • Topic gửi dữ liệu cảm biến: gateway/GW_ID/data (hoặc dataSensor/GW_ID/data), gửi từ Gateway lên HiveMQ Broker với QoS 1, định dạng payload JSON gồm: gw_id, node_id, timestamp và data (chứa các trường đo: temp, humi, aqi, light).
  • Topic điều khiển thiết bị: gateway/GW_ID/control, truyền từ Backend Server qua Broker xuống Gateway với payload JSON xác định: node_id, relay_state (ON/OFF) và control_mode.
• Cơ chế điều khiển thiết bị:
  • Chế độ thủ công (Manual): Người dùng thao tác nút bấm trên giao diện Web; lệnh HTTP RESTful kích hoạt Backend phát bản tin MQTT tới Gateway và truyền xuống Node để kích relay thay đổi trạng thái tức thời.
  • Chế độ theo lịch trình (Scheduled): Backend Express kiểm tra thời gian thực định kỳ đối chiếu với các khung giờ lưu trong MongoDB để tự động gửi lệnh đóng/ngắt.
  • Chế độ tự động theo ngưỡng (Automatic/Conditional): So sánh giá trị cảm biến với ngưỡng thiết lập (thực hiện cục bộ tại Node hoặc xử lý logic trên Backend Cloud); khi thông số vượt ngưỡng quy định, lệnh điều khiển relay tự động được ban hành.
• Kiến trúc phần mềm Web MVC:
  • Model: Định nghĩa lược đồ dữ liệu Mongoose/MongoDB cho tài khoản người dùng, dự án (project), thông tin node và dữ liệu lịch sử cảm biến.
  • View: Các trang giao diện lập trình bằng Pug, tái sử dụng bố cục qua layout chung và mixins.
  • Controller: Xử lý logic nghiệp vụ, tiếp nhận API, quản lý phiên làm việc và thực hiện cầu nối subscribe dữ liệu từ HiveMQ Broker.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu khắc phục nhược điểm cự ly truyền thông ngắn của Wi-Fi/Bluetooth trong các bài toán IoT phân tán diện rộng. Tác giả giới thiệu giải pháp ứng dụng công nghệ LoRa tầm xa (2 km đến 8 km) kết hợp Gateway trung tâm và dịch vụ đám mây. Đồng thời, chương này xác định rõ 5 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, các giới hạn kỹ thuật của đồ án về số lượng tải điều khiển, chủng loại cảm biến và quy mô thử nghiệm (2-3 phòng), cùng bố cục 5 chương của toàn văn đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 phân tích chuyên sâu các nền tảng lý thuyết và công nghệ được lựa chọn trong hệ thống:

• Giao thức MQTT: Trình bày chi tiết mô hình Publish/Subscribe, cơ chế hoạt động của Broker, phiên làm việc (Sessions), cấu trúc Topic và phân tích chuyên sâu 3 cấp độ QoS (QoS 0, QoS 1, QoS 2) cùng các chu trình bắt tay gói tin (PUBACK, PUBREC, PUBREL, PUBCOMP).
• Nền tảng Node.js và Framework Express.js: Phân tích cơ chế đơn luồng bất đồng bộ dựa trên Event Loop và Non-blocking I/O của V8 Engine; cấu trúc thư mục ứng dụng Express (package.json, routes, views, public); tổng hợp chức năng các middleware cốt lõi (method-override, body-parser, cookie-parser, express-session, express-flash).
• Cơ sở dữ liệu NoSQL MongoDB: Làm rõ khái niệm hệ quản trị cơ sở dữ liệu hướng tài liệu, định dạng nhị phân BSON (giới hạn 16 MB), tính linh hoạt không schema, mô hình phân cấp Database - Collection - Document, cơ chế phân tầng (Application Layer và Data Layer) cùng các tính năng đánh chỉ mục, tổng hợp (Aggregation) và hệ thống lưu trữ tệp GridFS.
• View Engine Pug: Giới thiệu nguyên lý biên dịch mã HTML không thẻ đóng dựa trên thụt lề, khả năng kế thừa giao diện (Template Inheritance), tính năng nhúng mã và tạo thành phần tái sử dụng (Mixins).

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương 3 là chương trọng tâm mô tả chi tiết quá trình thiết kế phần cứng và phần mềm:

• Thiết kế sơ đồ khối tổng thể phân tách thành Khối Phần cứng, Khối Truyền thông MQTT và Khối Ứng dụng (Backend và Database).
• Thiết kế chi tiết phần cứng khối Node và khối Gateway: Vi điều khiển ESP32, module LoRa E32-433T30D, mạch nguồn xung 12V xuống 5V và 3.3V dùng hai IC LM2576S kết hợp cuộn cảm $100\mu\text{H}$ và tụ lọc; sơ đồ nối chân cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 (IO25), chất lượng không khí MQ135 (IO32) và quang trở LDR (IO34); sơ đồ mạch điều khiển Relay 3 chế độ (thủ công, lịch trình, tự động).
• Thiết kế truyền thông MQTT qua HiveMQ Broker với cấu trúc Topic chuẩn hóa (gateway/GW_ID/data và gateway/GW_ID/control).
• Thiết kế kiến trúc phần mềm Backend Node.js/Express theo mô hình MVC, xây dựng cơ sở dữ liệu MongoDB và thiết kế các luồng xử lý dữ liệu thời gian thực.

Chương 4: Lưu đồ giải thuật

Chương 4 mô tả chi tiết logic vận hành của toàn bộ hệ thống thông qua các lưu đồ giải thuật cho các tiến trình:

• Nhóm giải thuật quản trị người dùng: Lưu đồ đăng ký tài khoản, đăng nhập hệ thống, quên mật khẩu (xác thực qua mã OTP) và chỉnh sửa thông tin cá nhân.
• Nhóm giải thuật thiết bị và truyền thông: Khởi tạo Gateway, quy trình tự động kết nối lại mạng (reconnect) khi gặp sự cố, thêm dự án Gateway mới, hiển thị danh sách và chỉnh sửa cấu hình dự án.
• Nhóm giải thuật chức năng: Tiến trình thu thập và truyền nhận luồng dữ liệu cảm biến; lưu đồ điều khiển thiết bị điện tức thời; lưu đồ xử lý lịch bật/tắt thiết bị theo thời gian thực; lưu đồ tự động kích hoạt thiết bị theo điều kiện ngưỡng giá trị cảm biến đo được.

Chương 5: Kết quả và thảo luận

Chương 5 trình bày toàn bộ thành quả thực nghiệm đạt được sau quá trình thiết kế và triển khai:

• Tổng quan sản phẩm phần cứng: Chế tạo và đóng gói hoàn thiện bo mạch phần cứng Gateway và bo mạch phần cứng Node hoạt động ổn định.
• Hệ thống giao diện người dùng trên nền tảng Web: Hiện thực hóa đầy đủ các màn hình chức năng bao gồm: Trang chủ hệ thống IoT; trang Đăng ký, Đăng nhập, Quên mật khẩu, Nhập OTP xác thực, Đổi mật khẩu; trang Quản lý hồ sơ cá nhân; trang Quản lý danh sách dự án (thêm, xem chi tiết, chỉnh sửa dự án); trang Quản lý danh sách Node (thêm mới, hiển thị chi tiết, chỉnh sửa thông số Node); trang Quản lý danh sách thiết bị điện; trang Hiển thị giá trị và biểu đồ cảm biến thời gian thực; trang Cấu hình và thiết lập điều kiện tự động hóa theo cảm biến.
• Đánh giá khả năng đáp ứng: Hệ thống vận hành đồng bộ, truyền nhận dữ liệu thông suốt qua LoRa và MQTT, phản hồi lệnh điều khiển relay chính xác theo cả 3 chế độ.
• Đề xuất các hướng phát triển kỹ thuật trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

• Về phần cứng: Thiết kế và chế tạo thành công mạch in cho Khối Node và Khối Gateway tích hợp vi điều khiển ESP32, module LoRa E32-433T30D và mạch nguồn hạ áp kép LM2576S (đầu vào 12V DC, tạo hai ngõ ra 5V DC và 3.3V DC dòng tải tối đa 3A). Mạch giao tiếp chính xác với 3 cảm biến môi trường (DHT11, MQ135, LDR) và mạch relay đóng ngắt tải điện.
• Về truyền thông: Thiết lập thành công luồng truyền dẫn không dây tầm xa LoRa với khoảng cách thiết kế từ 2 km đến 8 km; triển khai kết nối Gateway lên máy chủ qua Wi-Fi bằng giao thức MQTT (Broker HiveMQ, QoS 1) với định dạng gói tin JSON hoàn chỉnh.
• Về phần mềm và cơ sở dữ liệu: Xây dựng hệ thống backend Node.js/Express hoàn chỉnh, cấu hình cơ sở dữ liệu NoSQL MongoDB lưu trữ dữ liệu người dùng, node và các bản ghi dữ liệu cảm biến chuỗi thời gian; phát triển giao diện web động bằng View Engine Pug với hệ thống biểu đồ trực quan hóa dữ liệu theo thời gian thực.
• Về tính năng vận hành: Hiện thực hóa thành công 3 cơ chế điều khiển relay (thủ công qua giao diện web, tự động định thời theo lịch trình và tự động đóng/ngắt theo ngưỡng cảm biến thiết lập trước).

Đóng góp của đề tài

• Đưa ra giải pháp kỹ thuật kết hợp hiệu quả giữa công nghệ truyền thông không dây tầm xa LoRa ở tầng biên và giao thức nhẹ MQTT ở tầng mạng, giải quyết triệt để bài toán giám sát diện rộng mà các mạng không dây tầm ngắn (Wi-Fi, Bluetooth) không thể đáp ứng hoặc tiêu tốn quá nhiều năng lượng.
• Xây dựng mô hình hệ thống có kiến trúc phân tầng rõ ràng (Node - Gateway - Cloud - Web Client), giúp các thành phần có tính độc lập cao, giảm tải xử lý cho máy chủ trung tâm và dễ dàng bảo trì, mở rộng thêm số lượng node cảm biến trong thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Chủng loại thiết bị điều khiển còn đơn giản, chỉ giới hạn ở việc đóng/ngắt các tải điện cơ bản (đèn, quạt) thông qua relay on/off thông thường.
• Hệ thống cảm biến chỉ tập trung vào các thông số cơ bản (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, chỉ số khí tổng quát từ MQ135), chưa tích hợp các đầu đo môi trường phức tạp như cảm biến nồng độ bụi mịn PM2.5.
• Phạm vi triển khai thực nghiệm chỉ mới tiến hành trên mô hình thu nhỏ hoặc khu vực giới hạn (tối đa 2 đến 3 phòng/khu vực độc lập), chưa có điều kiện thử nghiệm thực tế toàn diện trên các địa hình phức tạp hoặc quy mô trang trại, tòa nhà lớn.
• Phần mềm chưa áp dụng các thuật toán phân tích nâng cao, chưa có mô hình Trí tuệ nhân tạo (AI) hay Học máy (Machine Learning) để phân tích dữ liệu chuyên sâu, chẩn đoán sớm sự cố hoặc tự động hóa tối ưu năng lượng ở mức độ cao.

Hướng nghiên cứu tiếp

1. Nâng cao hiệu suất truyền dẫn và bảo mật dữ liệu: Tối ưu hóa thuật toán định tuyến gói tin LoRa, tăng cường các cơ chế mã hóa đầu cuối nhằm bảo mật dữ liệu truyền nhận giữa Node, Gateway và Cloud Broker.
2. Tích hợp trí tuệ nhân tạo và phân tích dữ liệu lớn: Đưa các mô hình học máy vào hệ thống backend để phân tích dữ liệu lịch sử môi trường, dự đoán xu hướng biến đổi khí hậu vi mô và tự động đưa ra các kịch bản tiết kiệm điện năng thông minh.
3. Triển khai và thực nghiệm trên các hạ tầng thực tế: Mở rộng quy mô lắp đặt thử nghiệm trên các trang trại nông nghiệp công nghệ cao, khu công nghiệp hoặc tòa nhà quy mô lớn để đánh giá độ suy hao tín hiệu LoRa trong điều kiện môi trường có nhiều vật cản thực tế.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo kỹ thuật hữu ích dành cho:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử, Kỹ thuật Máy tính, Điện tử Viễn thông và Công nghệ Thông tin đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về lĩnh vực IoT (Internet of Things) và Hệ thống Nhúng.
• Các kỹ sư phát triển giải pháp mạng cảm biến không dây tầm xa (WSN) phục vụ nông nghiệp thông minh, quan trắc môi trường hoặc quản lý nhà xưởng công nghiệp.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

• Thiết kế mạch phần cứng nguồn xung kép hạ áp dùng IC LM2576S chống nhiễu cho vi điều khiển ESP32 và module truyền thông công suất lớn.
• Phương pháp phối ghép phần cứng và lập trình kết nối giữa vi điều khiển ESP32 với module LoRa E32-433T30D qua giao tiếp SPI/UART.
• Cấu trúc kiến trúc phần mềm tích hợp đa tầng: Từ tầng biên thu thập dữ liệu LoRa, tầng chuyển đổi định dạng gói tin sang MQTT JSON trên Gateway, đến tầng xử lý dịch vụ bằng Node.js/Express.js, cơ sở dữ liệu MongoDB và hiển thị giao diện qua template engine Pug.

Câu hỏi thường gặp

1. Khoảng cách truyền thông không dây giữa khối Node và Gateway trong đồ án được thiết kế trong phạm vi bao nhiêu?
Hệ thống ứng dụng công nghệ truyền thông không dây LoRa cho phép kết nối các nút cảm biến với Gateway trung tâm trong cự ly hoạt động từ 2 km đến 8 km, đáp ứng yêu cầu giám sát phân tán đa khu vực.

2. Khối nguồn phần cứng của hệ thống được thiết kế như thế nào để cấp điện cho các linh kiện?
Khối nguồn nhận điện áp đầu vào 12V DC qua Jack DC và sử dụng hai tầng hạ áp xung: IC Buck LM2576S-5 hạ áp xuống 5V DC (cấp nguồn cho module LoRa, relay và nuôi tầng kế tiếp), sau đó IC LM2576S-3.3 (hoặc LM2676S-3.3) hạ tiếp xuống 3.3V DC để cấp nguồn ổn định cho vi điều khiển ESP32. Mạch tích hợp cuộn cảm $100\mu\text{H}$ và hệ thống tụ lọc $100\mu\text{F}$, $220\mu\text{F}$ để triệt tiêu nhiễu nguồn.

3. Khối Node kết nối các cảm biến môi trường qua những chân vi điều khiển ESP32 cụ thể nào?
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 kết nối vào chân số IO25; cảm biến chất lượng không khí MQ135 kết nối vào chân ADC IO32; cảm biến cường độ ánh sáng (quang trở LDR) kết nối qua mạch chia áp vào chân ADC IO34 của vi điều khiển ESP32.

4. Hệ thống hỗ trợ những chế độ điều khiển thiết bị điện nào?
Hệ thống hỗ trợ 3 chế độ điều khiển relay:

• Chế độ thủ công (Manual): Người dùng trực tiếp thao tác bật/tắt trên website, lệnh gửi tức thời qua Broker đến thiết bị.
• Chế độ theo lịch trình (Scheduled): Backend tự động so khớp thời gian thực với khung giờ lập trình sẵn trong MongoDB để ban hành lệnh.
• Chế độ tự động (Automatic): Hệ thống so sánh dữ liệu đo đạc thực tế của cảm biến với ngưỡng cài đặt để tự động kích hoạt thiết bị (xử lý tại Node hoặc trên Cloud Backend).

5. Giao thức MQTT trong hệ thống sử dụng broker nào, cấu trúc topic và mức QoS ra sao?
Hệ thống sử dụng HiveMQ làm MQTT Broker trung gian. Luồng dữ liệu cảm biến được Gateway xuất bản lên topic gateway/GW_ID/data với mức QoS 1 (At Least Once) nhằm đảm bảo dữ liệu quan trọng không bị thất lạc; luồng điều khiển từ Backend gửi xuống Gateway sử dụng topic gateway/GW_ID/control.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống giám sát cảm biến và điều khiển thiết bị điện" của tác giả Nguyễn Tấn Đạt đã giải quyết thành công bài toán giám sát môi trường và điều khiển thiết bị từ xa đa khu vực thông qua việc kết hợp công nghệ truyền thông tầm xa LoRa và giao thức MQTT. Nghiên cứu đã hoàn thiện toàn diện từ thiết kế, chế tạo mạch phần cứng khối Node/Gateway trên nền ESP32 đến xây dựng ứng dụng web quản lý tập trung với Node.js, Express.js, MongoDB và Pug. Kết quả thử nghiệm khẳng định tính ổn định trong việc thu thập dữ liệu thời gian thực và thực thi linh hoạt 3 chế độ điều khiển thiết bị, tạo nền tảng vững chắc để tiếp tục nâng cấp các giải thuật trí tuệ nhân tạo và mở rộng ứng dụng trong nông nghiệp công nghệ cao và đô thị thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 3 Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống Chương 4: Kết quả Chương 5: Kết luận và hướng phát triển CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giao thức MQTT 2. Khái niệm Để giải quyết bài toán giao tiếp trong mạng lưới IoT, giao thức MQTT đã ra đời như một chuẩn nhắn tin tối ưu dành cho máy móc.

Các thiết bị như đồ công nghệ đeo trên người hay cảm biến từ xa thường gặp khó khăn về dung lượng pin và tốc độ mạng, do đó chúng cần một phương thức truyền tải nhẹ nhàng nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy. MQTT chính là giải pháp lý tưởng nhờ quy trình triển khai đơn giản, giúp dòng chảy dữ liệu giữa thiết bị và máy chủ đám mây luôn được thông suốt. Mô hình Publish/Subscribe Mô hình Publish/Subscribe (Pub/Sub) của MQTT là một kiến trúc giao tiếp tin nhắn phi tập trung hoạt động thông qua một Broker trung gian. Trong mô hình này, các Publisher (thiết bị gửi) gửi tin nhắn đến các Topic (chủ đề) cụ thể mà không cần biết ai là người nhận.

Ngược lại, các Subscriber (thiết bị nhận) đăng ký nhận tin nhắn từ các Topic mong muốn thông qua Broker. Cơ chế này tạo ra sự tách biệt (decoupling) hiệu quả giữa người gửi và người nhận, giúp giảm băng thông và phù hợp lý tưởng cho các ứng dụng IoT và mạng có độ trễ/băng thông thấp.1 Mô hình Publish/Subcribe Các thành phần của mô hình : - Client: o Publisher - Nơi gửi thông điệp o Subscriber - Nơi nhận thông điệp - Broker: Máy chủ môi giới Trong đó Broker được coi như trung tâm, nó là điểm giao của tất cả các kết nối đến từ Client (Publisher/Subscriber). Nhiệm vụ chính của Broker là nhận thông điệp (message) từ Publisher, xếp vào hàng đợi rồi chuyển đến một địa điểm 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 cụ thể.

Nhiệm vụ phụ của Broker là nó có thể đảm nhận thêm một vài tính năng liên quan tới quá trình truyền thông như: bảo mật message, lưu trữ message, logs,. Client thì được chia thành hai nhóm là Publisher và Subscriber. Client chỉ làm ít nhất một trong 2 việc là publish các thông điệp (message) lên một/nhiều topic cụ thể hoặc subscribe một/nhiều topic nào đó để nhận message từ topic này.3 Cơ chế hoạt động và Kiến trúc Thành phần Cơ chế tổng quan Hình 20.2 Cơ chế tổng quan MQTT hoạt động theo cơ chế client/server, nơi mà mỗi cảm biến là một khách hàng (client) và kết nối đến một máy chủ, có thể hiểu như một Máy chủ môi giới (broker), thông qua giao thức TCP. Broker chịu trách nhiệm điều phối tất cả các thông điệp giữa phía gửi đến đúng phía nhận.

MQTT là giao thức định hướng bản tin. Mỗi bản tin là một đoạn rời rạc của tín hiệu và broker không thể nhìn thấy. Mỗi bản tin được publish một địa chỉ, có thể hiểu như một kênh (Topic). Client đăng kí vào một vài kênh để nhận/gửi dữ liệu, gọi là subscribe.

Client có thể subscribe vào nhiều kênh. Mỗi client sẽ nhận được dữ liệu khi bất kỳ trạm nào khác gửi dữ liệu vào kênh đã đăng ký. Khi một client gửi một bản tin đến một kênh nào đó gọi là publish. Kiến trúc thành phần CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 Hình 20.3 Kiến trúc mô hình Thành phần chính của MQTT là Client (Publisher/Subscriber), Server (Broker), Sessions (tạm dịch là Phiên làm việc), Subscriptions và Topics. MQTT Client (Publisher/Subscriber): Clients sẽ subscribe một hoặc nhiều topics để gửi và nhận thông điệp từ những topic tương ứng. MQTT Server (Broker): Broker nhận những thông tin subscribe (Subscriptions) từ client, nhận thông điệp, chuyển những thông điệp đến các Subscriber tương ứng dựa trên Subscriptions từ client. Topic: Có thể coi Topic là một hàng đợi các thông điệp, và có sẵn khuôn mẫu dành cho Subscriber hoặc Publisher.

Một cách logic thì các topic cho phép Client trao đổi thông tin với những ngữ nghĩa đã được định nghĩa sẵn. Ví dụ: Dữ liệu cảm biến nhiệt độ của một tòa nhà. Session: Một session được định nghĩa là kết nối từ client đến server. Tất cả các giao tiếp giữa client và server đều là 1 phần của session.

Subscription: Không giống như session, subscription về mặt logic là kết nối từ client đến topic. Khi đã subscribe một topic, Client có thể nhận/gửi thông điệp (message) với topic đó. Các mức Chất lượng Dịch vụ (QoS) Khung chất lượng dịch vụ của MQTT cung cấp ba cấp độ độ tin cậy khác nhau, đáp ứng nhiều trường hợp sử dụng IoT khác nhau, đòi hỏi các mức độ tin cậy khác nhau dựa trên các yêu cầu cụ thể của chúng.01 Các mức chất lượng dịch vụ (QoS) QoS level Tên gọi Độ tin cậy Số bước bắt tay Gói tin xác nhận chính 0 At Most Once Thấp nhất (có thể 1 (Gửi) Không có mất) 1 At Least Once Trung bình (Ít nhất 2 (PUBLISH, PUBACK 1 lần, có thể trùng PUBACK) lặp) 2 Exactly Once Cao nhất (Đúng 1 4 (PUBLISH, PUBREC, lần) PUBREC, PUBREL, PUBREL, PUBCOMP PUBCOMP) CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 Cách tiếp cận phân cấp này cho phép các nhà phát triển đưa ra những sự đánh đổi có chủ đích giữa việc đảm bảo phân phối tin nhắn, mức tiêu thụ băng thông mạng và chi phí xử lý.

Bằng cách chọn mức QoS phù hợp cho từng loại tin nhắn, các ứng dụng IoT có thể tối ưu hóa mô hình giao tiếp của chúng—sử dụng QoS 0 nhẹ cho dữ liệu thường xuyên, không quan trọng và dành QoS 1 và 2 mạnh mẽ hơn cho các tin nhắn mà việc xác nhận phân phối là điều cần thiết. Giải thích về việc truyền tải tin nhắn QoS của MQTT Khi thảo luận về QoS trong MQTT, điều quan trọng là phải xem xét việc truyền tải tin nhắn từ máy khách gửi đến máy chủ trung gian và từ máy chủ trung gian đến máy khách đăng ký. Hai khía cạnh này của việc truyền tải tin nhắn có những khác biệt nhỏ. Máy khách phát hành tin nhắn đến broker sẽ xác định mức QoS cho tin nhắn trong quá trình truyền.

Sau đó, broker sẽ truyền tin nhắn đến các máy khách đang đăng ký theo mức QoS được xác định bởi từng máy khách đang đăng ký trong quá trình đăng ký. Nếu máy khách đang đăng ký định nghĩa mức QoS thấp hơn máy khách đang phát hành, broker sẽ truyền tin nhắn với mức QoS thấp hơn. Hiểu được cách thức hoạt động của việc phân phối tin nhắn trong MQTT sẽ đặt nền tảng cho việc đánh giá tầm quan trọng của mức Chất lượng dịch vụ (QoS) trong việc đảm bảo giao tiếp đáng tin cậy giữa máy khách xuất bản, máy trung gian và máy khách đăng ký. Lợi ích của MQTT QoS cho truyền thông IoT đáng tin cậy Chất lượng Dịch vụ (QoS) rất quan trọng trong MQTT vì nó đóng vai trò cung cấp cho máy khách khả năng lựa chọn mức dịch vụ phù hợp với cả độ tin cậy của mạng và yêu cầu của ứng dụng.

Khả năng xử lý việc truyền lại tin nhắn và đảm bảo phân phối của MQTT, ngay cả trong điều kiện mạng không ổn định, khiến QoS trở nên thiết yếu để tạo điều kiện giao tiếp liền mạch trong những môi trường đầy thách thức như vậy. Bằng cách cung cấp các mức QoS khác nhau, MQTT cho phép máy khách tối ưu hóa việc sử dụng mạng và đạt được sự cân bằng mong muốn giữa độ tin cậy và hiệu quả. QoS 0 hoạt động như thế nào trong MQTT? Ở cấp độ thấp nhất, QoS 0 trong MQTT cung cấp cơ chế gửi tin nhắn theo kiểu "nỗ lực tối đa", trong đó người gửi không mong đợi xác nhận hoặc đảm bảo việc gửi tin nhắn thành công. Điều này có nghĩa là người nhận không xác nhận đã nhận được tin nhắn, và người gửi không lưu trữ hoặc truyền lại tin nhắn đó.

QoS 0, thường được gọi là "gửi đi và quên", hoạt động tương tự như giao thức TCP cơ bản, trong đó tin nhắn được gửi đi mà không cần theo dõi hoặc xác nhận thêm. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8 Hình 20.4 Publish tối đa 1 lần QoS 1 hoạt động như thế nào trong MQTT? Trong QoS 1 của MQTT, trọng tâm là đảm bảo tin nhắn được gửi đến người nhận ít nhất một lần. Khi một tin nhắn được gửi đi với QoS 1, người gửi sẽ giữ một bản sao của tin nhắn cho đến khi nhận được gói PUBACK từ người nhận, xác nhận việc nhận thành công. Nếu người gửi không nhận được gói PUBACK trong một khoảng thời gian hợp lý, họ sẽ truyền lại tin nhắn để đảm bảo việc gửi được thành công.5 publish ít nhất 1 lần Sau khi nhận được tin nhắn, bên nhận có thể xử lý ngay lập tức.

Ví dụ, nếu bên nhận là một máy chủ MQTT, nó sẽ phân phối tin nhắn đến tất cả các máy khách đăng ký và phản hồi bằng gói PUBACK để xác nhận việc nhận được tin nhắn. Điều quan trọng cần lưu ý là trong QoS 1, nếu máy khách gửi cùng một tin nhắn lại, nó sẽ đặt cờ trùng lặp (DUP). Tuy nhiên, cờ này chỉ được sử dụng cho mục đích nội bộ và không được xử lý bởi máy chủ trung gian hoặc máy khách. Bất kể cờ DUP, người nhận vẫn gửi gói PUBACK để xác nhận việc nhận tin nhắn, đảm bảo người gửi biết về việc gửi thành công.

Phương pháp QoS 1 này tạo ra sự cân bằng giữa độ tin cậy và hiệu quả, đảm bảo rằng tin nhắn đến được người nhận ít nhất một lần trong khi vẫn cho phép xử lý các bản sao tiềm ẩn một cách phù hợp. QoS 2 hoạt động như thế nào trong MQTT? CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9 QoS 2 cung cấp mức độ dịch vụ cao nhất trong MQTT, đảm bảo mỗi tin nhắn được gửi chính xác một lần đến người nhận dự định. Để đạt được điều này, QoS 2 bao gồm quá trình bắt tay bốn bước giữa người gửi và người nhận.6 publish đúng 1 lần Khi bên nhận nhận được gói tin QoS 2 PUBLISH từ bên gửi, bên nhận sẽ xử lý thông báo xuất bản tương ứng và trả lời bên gửi bằng gói tin PUBREC xác nhận gói tin PUBLISH.

Nếu bên gửi không nhận được gói tin PUBREC từ bên nhận, bên nhận sẽ gửi lại gói tin PUBLISH với cờ trùng lặp (DUP) cho đến khi nhận được xác nhận. Khi người gửi nhận được gói PUBREC từ người nhận, người gửi có thể loại bỏ gói PUBLISH ban đầu một cách an toàn. Người gửi lưu trữ gói PUBREC từ người nhận và phản hồi bằng gói PUBREL , người nhận loại bỏ tất cả các trạng thái đã lưu trữ và trả lời bằng gói PUBCOMP.