Hệ thống smarthome giá rẻ

Đồ án hệ thống smarthome giá rẻ ngành Kỹ thuật máy tính Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Trần Nam Hải
• Người hướng dẫn: ThS. Đậu Trọng Hiển
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Máy tính
• Đề tài: Hệ thống smarthome giá rẻ
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu hệ thống smarthome giá rẻ tại ĐH SPKT TP

Công nghệ nhà thông minh đang phát triển nhanh chóng trên thế giới. Xu hướng này tạo ra môi trường sống tiện nghi và hiện đại. Tuy nhiên, rào cản chi phí khiến giải pháp này khó tiếp cận đại đa số gia đình Việt Nam. Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM giải quyết bài toán trên. Công trình hướng đến mục tiêu xây dựng mô hình điều khiển thiết bị gia dụng chi phí thấp. Hệ thống vận hành dựa trên sự kết hợp giữa phần cứng nhúng và phần mềm điều khiển di động. Nhóm nghiên cứu thuộc Bộ môn Kỹ thuật Máy tính - Viễn thông đã hoàn thành đề tài vào tháng 7 năm 2016. Thạc sĩ Đậu Trọng Hiển trực tiếp hướng dẫn sinh viên Trần Nam Hải và Lê Hoài Nam. Nhóm chế tạo thành công một mô hình mẫu thử nghiệm đầy đủ tính năng cơ bản. Hệ thống cho phép giám sát trạng thái thiết bị điện gia dụng theo thời gian thực. Người dùng tương tác trực quan thông qua giao diện ứng dụng trên điện thoại thông minh. Giải pháp này chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật lẫn hiệu quả kinh tế cho phân khúc nhà thông minh phổ thông.

1.1. Bối cảnh ra đời đề tài smarthome giá rẻ

Thị trường thiết bị tự động hóa gia đình tại thời điểm nghiên cứu có giá thành đắt đỏ. Hầu hết thiết bị nhập khẩu đòi hỏi chi phí đầu tư lớn và quy trình lắp đặt phức tạp. Nhiều người tiêu dùng có thu nhập trung bình không đủ điều kiện tài chính để tiếp cận. Thực trạng này thôi thúc sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính tại ĐH SPKT TP.HCM tìm kiếm giải pháp thay thế. Mục tiêu đề tài là giảm thiểu tối đa chi phí linh kiện phần cứng. Nhóm hướng đến sản phẩm có cấu trúc đơn giản nhưng hoạt động tin cậy. Đề tài tập trung vào việc tận dụng các vi điều khiển phổ biến và mã nguồn mở. Hướng đi này giúp phổ cập công nghệ điều khiển thông minh đến mọi hộ gia đình.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật của nghiên cứu tại HCMUTE

Đồ án tốt nghiệp hướng tới việc xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh từ phần cứng đến phần mềm. Phần cứng trung tâm đảm nhận thu thập dữ liệu và điều khiển rơ-le ngắt mở nguồn điện. Module truyền thông mạng chuyển tiếp gói tin nhanh chóng và chính xác. Phần mềm trên điện thoại đóng vai trò trung tâm điều khiển từ xa. Giao diện người dùng phải thân thiện, dễ vận hành và phản hồi tức thời. Hệ thống cần bảo đảm tính an toàn điện năng trong suốt quá trình hoạt động. Nghiên cứu cũng chú trọng tính ổn định của đường truyền tín hiệu không dây. Mọi khối chức năng được thiết kế mô-đun hóa nhằm thuận tiện cho việc nâng cấp sau này.

II. Thực trạng phát triển hệ thống smarthome giá rẻ tại ĐH SPKT TP

Quá trình nghiên cứu và phát triển hệ thống nhà thông minh giá rẻ đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Đầu tiên là bài toán cân bằng giữa chi phí linh kiện và độ tin cậy vận hành. Các dòng chip vi điều khiển giá rẻ thường bị giới hạn về bộ nhớ và tốc độ xử lý xung nhịp. Việc xử lý đồng thời nhiều kết nối mạng dễ gây nghẽn dữ liệu. Thứ hai là vấn đề xung đột gói tin và độ trễ trên đường truyền vật lý. Chuẩn truyền thông mạng nội bộ đòi hỏi cơ chế kiểm soát lỗi nghiêm ngặt. Lớp liên kết dữ liệu phải tự động phát hiện sai sót và gửi lại khung truyền kịp thời. Bên cạnh đó, việc tương thích giữa ứng dụng di động và phần cứng đặt ra thách thức lớn. Hệ điều hành Android có cơ chế quản lý bộ nhớ nghiêm ngặt và phân mảnh phiên bản sâu rộng. Nếu không tối ưu thuật toán, ứng dụng dễ bị treo hoặc ngắt kết nối đột ngột. Nhóm nghiên cứu đã phân tích kỹ các rào cản này để tìm hướng giải quyết phù hợp.

2.1. Thách thức trong truyền nhận dữ liệu mạng

Quá trình truyền thông tin trong mạng nội bộ dễ phát sinh xung đột tín hiệu. Dữ liệu truyền đi thường có kích thước khung từ vài trăm byte đến hàng nghìn byte. Đường truyền mạng vật lý luôn tiềm ẩn nguy cơ nhiễu điện từ và suy hao tín hiệu. Khi có xung đột xảy ra, các gói tin bị biến dạng hoặc mất mát hoàn toàn. Hệ thống cần một cơ chế giám sát trạng thái đường truyền liên tục. Cơ chế xác nhận khung truyền thành công đóng vai trò bảo vệ an toàn thông tin. Nếu phát hiện sai hỏng, hệ thống phải kích hoạt lệnh gửi lại ngay lập tức. Điều này gây hao tổn tài nguyên xử lý của vi mạch giá rẻ nếu không có thuật toán định tuyến hợp lý.

2.2. Khó khăn khi tối ưu hóa ứng dụng Android

Lập trình giao diện điều khiển trên nền tảng Android đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về Java và kiến trúc hệ thống. Thiết bị di động của người dùng rất đa dạng về kích thước màn hình và cấu hình phần cứng. Ứng dụng phải duy trì kết nối mạng nền mà không làm cạn kiệt pin thiết bị. Việc quản lý các luồng xử lý dữ liệu mạng cũng cần sự tính toán chặt chẽ. Nếu ứng dụng gửi lệnh liên tục, giao diện dễ bị giật lag hoặc mất phản hồi. Hơn nữa, việc bảo mật dữ liệu điều khiển truyền qua mạng gia đình cần được lưu tâm. Lập trình viên phải xử lý ngoại lệ cẩn thận để tránh sập ứng dụng khi mất kết nối đột xuất. Đây là những khó khăn thực tế mà nhóm nghiên cứu phải vượt qua.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống smarthome giá rẻ tại ĐH SPKT TP

Để giải quyết các thách thức trên, nhóm nghiên cứu đưa ra mô hình kiến trúc phân tầng khoa học. Trung tâm điều khiển sử dụng vi mạch xử lý tín hiệu kết nối trực tiếp với các module chấp hành rơ-le. Về phương diện truyền thông, hệ thống áp dụng chuẩn mạng IEEE 802 thông dụng. Lớp liên kết dữ liệu chia làm hai lớp con LLC và MAC để kiểm soát đường truyền. Lớp LLC chịu trách nhiệm cách ly các ứng dụng cấp cao khỏi chi tiết phần cứng mạng bên dưới. Lớp MAC kiểm tra kênh truyền rảnh rỗi và giải quyết hiện tượng xung đột tín hiệu kịp thời. Nhờ vậy, dữ liệu truyền đi luôn đạt tỷ lệ chính xác cao. Về phía người dùng, ứng dụng di động được xây dựng trực tiếp trên nền tảng Android. Ngôn ngữ Java giúp chương trình vận hành mượt mà và tận dụng tốt tài nguyên phần cứng điện thoại. Ứng dụng cung cấp các nút nhấn điều khiển trực quan và đồng bộ trạng thái bóng đèn, quạt điện gần như tức thì. Toàn bộ giải pháp giúp hạ giá thành sản phẩm xuống mức tối thiểu nhưng vẫn đảm bảo độ bền cao.

3.1. Ứng dụng chuẩn giao thức mạng IEEE 802

Chuẩn kết nối IEEE 802 đóng vai trò then chốt trong cấu trúc mạng của hệ thống. Lớp liên kết dữ liệu tạo ra môi trường truyền dẫn không lỗi cho các tầng mạng phía trên. Lớp con LLC phân tách ứng dụng điều khiển khỏi các giao thức truyền dẫn mạng cáp hay vô tuyến. Nhờ đó, việc lập trình phần mềm không phụ thuộc vào thiết bị mạng cụ thể. Lớp con MAC tiếp nhận dữ liệu từ LLC để đóng thành từng khung frame hoàn chỉnh. MAC có trách nhiệm liên tục quét kênh truyền rảnh rỗi trước khi phát tín hiệu. Nếu xuất hiện xung đột, lớp MAC sẽ tự động kích hoạt cơ chế điều khiển truyền lại ngay. Giải pháp này giúp các lệnh bật tắt đèn và thiết bị trong nhà luôn truyền đi thông suốt.

3.2. Thiết kế giao diện điều khiển trên Android

Ứng dụng điều khiển được phát triển bằng môi trường Eclipse và Android Studio. Nhóm tác giả sử dụng ngôn ngữ Java Core để viết mã nguồn nhằm tối ưu hóa hiệu suất chạy nền. Android là hệ điều hành mã nguồn mở phổ biến, hỗ trợ thư viện giao tiếp mạng phong phú. Ứng dụng thiết kế các bảng điều khiển trực quan với các nút chuyển đổi trạng thái rõ ràng. Khi người dùng chạm nút trên màn hình, ứng dụng tạo gói tin điều khiển và phát qua mạng nội bộ. Trạng thái hoạt động thực tế của thiết bị cũng được phản hồi ngược về màn hình điện thoại. Nhờ đó, người dùng dễ dàng theo dõi các thiết bị trong nhà mọi lúc mọi nơi. Mã nguồn tối ưu giúp ứng dụng chạy ổn định trên nhiều dòng máy khác nhau.

IV. Ứng dụng thực tiễn hệ thống smarthome giá rẻ tại ĐH SPKT TP

Kết quả thực nghiệm khẳng định tiềm năng ứng dụng to lớn của đề tài nghiên cứu. Mô hình smarthome giá rẻ chứng minh khả năng thay thế tốt các hệ thống đắt tiền trên thị trường. Việc điều khiển bật tắt các tải điện gia dụng diễn ra nhanh chóng với độ trễ thấp. Độ tin cậy truyền dữ liệu qua lớp liên kết mạng đạt yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt. Người sử dụng dễ dàng làm quen với giao diện ứng dụng trên điện thoại thông minh. Không chỉ áp dụng trong quy mô hộ gia đình, hệ thống còn phù hợp cho các văn phòng nhỏ và phòng trọ sinh viên. Đề tài mở ra giải pháp tự động hóa tiết kiệm năng lượng hiệu quả. Người dùng có thể kiểm soát tắt mở thiết bị điện từ xa để tránh lãng phí. Về mặt học thuật, công trình đóng góp tư liệu nghiên cứu hữu ích cho sinh viên Khoa Điện - Điện tử ĐH SPKT TP.HCM. Hướng phát triển tiếp theo là tích hợp thêm các cảm biến môi trường và công nghệ điện toán đám mây. Điều này giúp nâng cao tính thông minh và mở rộng phạm vi điều khiển.

4.1. Khả năng nhân rộng mô hình trong đời sống

Hệ thống sở hữu lợi thế lớn về mặt kinh tế nhờ sử dụng linh kiện phổ biến trên thị trường. Chi phí lắp ráp rẻ hơn đáng kể so với các giải pháp thương mại nhập khẩu. Quy trình lắp đặt và cấu hình mạng nội bộ đơn giản, không đòi hỏi thay đổi hạ tầng điện sẵn có. Người dùng bình dân dễ dàng tiếp cận công nghệ nhà thông minh với ngân sách vừa phải. Mô hình rất thích hợp triển khai tại các căn hộ gia đình, chung cư mini hoặc lớp học. Thiết kế mạch dạng mô-đun cho phép người dùng tùy chọn mở rộng số lượng công tắc khi cần thiết. Tính ứng dụng thực tiễn cao tạo điều kiện thuận lợi cho việc thương mại hóa sản phẩm.

4.2. Hướng nghiên cứu nâng cấp hệ thống tương lai

Hệ thống hiện tại tạo nền móng vững chắc cho các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo. Việc tích hợp thêm các giao thức truyền thông không dây mới như Zigbee hay ESP-NOW sẽ gia tăng độ phủ sóng. Hệ thống cũng có thể kết nối với máy chủ đám mây để điều khiển thiết bị qua Internet từ xa bên ngoài mạng gia đình. Bên cạnh đó, việc bổ sung các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động giúp tự động hóa không gian sống toàn diện. Hệ thống có thể tự kích hoạt máy điều hòa hoặc đèn chiếu sáng theo thói quen sinh hoạt. Vấn đề mã hóa và an ninh mạng cho đường truyền cũng là hướng đi cần tăng cường. Những cải tiến này sẽ nâng tầm giải pháp thành một hệ sinh thái Internet vạn vật hoàn chỉnh.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của công nghệ thông tin và truyền thông đã thúc đẩy quá trình thông minh hóa các thiết bị điện tử phục vụ đời sống con người, từ điện thoại thông minh (SmartPhone), đồng hồ thông minh (SmartWatch) đến tivi thông minh (SmartTV). Bối cảnh này đưa thế giới bước vào kỷ nguyên Internet kết nối vạn vật (Internet of Things - IoT), nơi mọi vật thể đều có khả năng liên kết và trao đổi dữ liệu qua mạng Internet. Trong xu thế đó, mô hình nhà thông minh (SmartHome) trở thành một tiêu chuẩn tất yếu của kiến trúc hiện đại, cho phép tự động hóa các thiết bị gia dụng và hỗ trợ chủ nhà giám sát, điều khiển môi trường sống từ xa.

Mặc dù mang lại nhiều tiện ích về mặt tiện nghi, tiết kiệm năng lượng và tăng cường an ninh, các hệ thống SmartHome thương mại hiện nay (chẳng hạn như các giải pháp của BKAV SmartHome, LG, SAMSUNG) có giá thành rất cao, trở thành rào cản lớn đối với khả năng tiếp cận của đại đa số người tiêu dùng tại Việt Nam. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài hướng đến việc giải quyết bài toán chi phí thông qua việc nghiên cứu, tích hợp các nền tảng phần cứng mã nguồn mở phổ biến để chế tạo một hệ thống SmartHome giá rẻ nhưng vẫn đảm bảo đầy đủ các tính năng vận hành cơ bản.

Mục tiêu chung của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh mô hình hệ thống SmartHome với chi phí thấp, phù hợp với mức thu nhập của người Việt Nam. Đề tài xác định 5 nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

1. Thiết kế hệ thống cửa thông minh sử dụng công nghệ nhận dạng qua tần số vô tuyến (RFID) kết hợp bàn phím cơ học, có cơ chế cảnh báo khi nhập sai mật khẩu nhiều lần.
2. Xây dựng hệ thống chiếu sáng thông minh có khả năng tự động đóng/ngắt dựa trên tín hiệu cảm biến hoặc cho phép điều khiển từ xa qua máy tính, điện thoại thông minh kết nối Internet thông qua trình duyệt web và ứng dụng di động trên hệ điều hành Android.
3. Tích hợp cảm biến môi trường để đo đạc và cập nhật liên tục thông số nhiệt độ trong ngôi nhà lên giao diện giám sát.
4. Triển khai hệ thống phát hiện rò rỉ khí gas, tự động kích hoạt cuộc gọi cảnh báo trực tiếp đến số điện thoại của chủ nhà khi có sự cố.
5. Thiết lập hệ thống nút nhấn cơ học tại chỗ, đảm bảo người dùng vẫn có thể điều khiển trực tiếp các thiết bị điện trong nhà ngay cả khi hệ thống mạng gặp sự cố.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mô hình nhà thông minh tích hợp phần cứng điều khiển nhúng, mạng truyền thông vô tuyến nội bộ và các ứng dụng điều khiển đa nền tảng. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc chế tạo mô hình thử nghiệm tại Bộ môn Điện tử Viễn thông, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thực hiện trong khung thời gian từ tháng 03/2016 đến tháng 06/2016 và hoàn thiện báo cáo vào tháng 07/2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng trên các nền tảng cốt lõi về kỹ thuật mạng máy tính, hệ thống nhúng và công nghệ phần mềm:

• Lý thuyết mạng máy tính và giao thức truyền thông: Đề tài phân tích mô hình tham chiếu OSI 7 lớp và bộ giao thức TCP/IP 4 lớp. Trong đó, hệ thống tập trung vào chuẩn Ethernet IEEE 802.3 với phương thức truy cập đa người dùng cảm nhận sóng mang có phát hiện xung đột (CSMA/CD), chế độ truyền thông bán song công (Half-Duplex) và song công (Full-Duplex). Ở tầng mạng và tầng giao vận, đề tài nghiên cứu cấu trúc gói tin IP datagram (IPv4), các giao thức phụ trợ (ARP, RARP, ICMP, IGMP) cùng sự khác biệt giữa hai giao thức giao vận: giao thức truyền thông tin cậy định hướng kết nối TCP và giao thức hướng thông điệp không tin cậy UDP. Với yêu cầu điều khiển thời gian thực và giảm thiểu độ trễ, giao thức UDP được chọn để truyền nhận khung dữ liệu điều khiển giữa các thiết bị. Đồng thời, giao thức HTTP theo mô hình Client - Server được ứng dụng cho việc truyền tải giao diện web.
• Nền tảng hệ thống nhúng và phần cứng mã nguồn mở: Cơ sở tính toán dựa trên kiến trúc vi điều khiển AVR của Atmel. Đề tài khảo sát hai kit điều khiển: Arduino UNO R3 (vi điều khiển ATmega328, bộ nhớ Flash 32 KB, SRAM 2 KB, EEPROM 1 KB, 14 chân I/O số với 6 kênh PWM, 6 chân analog, tần số xung nhịp 16 MHz) và Arduino Mega 2560 (vi điều khiển ATmega2560, bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB, 54 chân I/O số với 15 kênh PWM, 16 chân analog, tần số xung nhịp 16 MHz). Môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE được sử dụng để lập trình, biên dịch và nạp mã lệnh.
• Lý thuyết truyền thông không dây và module ngoại vi: Khảo sát nguyên lý truyền sóng tần số vô tuyến (RF), cấu trúc module nRF24L01 phục vụ mạng cảm biến nội bộ; cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11; cảm biến khí gas MQ-2 kết hợp mạch so sánh dùng IC LM358; cảm biến chuyển động hồng ngoại thụ động (PIR) module HC-SR501; cảm biến quang trở (Light-Sensor); module truyền thông di động GSM/GPRS SIM900A Mini hỗ trợ mạng GSM và cấu trúc tin nhắn SMS/cuộc gọi; module nhận dạng vô tuyến RFID RC522; bàn phím ma trận 4x4; rơ-le điện từ; màn hình LCD 16x2.
• Nền tảng phần mềm di động: Kiến trúc hệ điều hành Android dựa trên nhân Linux, vòng đời của Activity (trạng thái hoạt động, tạm dừng, dừng, hủy) và ngôn ngữ lập trình Java.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai là phương pháp thiết kế kỹ thuật kết hợp thực nghiệm:

1. Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Khảo sát thông số kỹ thuật (datasheet) của các vi điều khiển, module chức năng và giao thức truyền thông mạng.
2. Phương pháp thiết kế hệ thống phần cứng và phần mềm: Phân chia hệ thống thành các khối chức năng độc lập (phòng khách, phòng ngủ, phòng bếp, hệ thống cửa và khối xử lý trung tâm); xây dựng sơ đồ nguyên lý kết nối chân và lưu đồ giải thuật điều khiển chi tiết cho từng khối; phát triển phần mềm giao diện trên nền tảng Android và Web server.
3. Phương pháp thực nghiệm và kiểm thử: Lắp ráp mô hình vật lý hoàn chỉnh, cài đặt môi trường giả lập Android trên Genymotion cùng thiết bị di động thật để kiểm thử khả năng kết nối mạng LAN/Internet, đánh giá độ ổn định của các chức năng điều khiển đóng ngắt tải, đọc cảm biến và xử lý sự cố an ninh.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm các thông số kỹ thuật chính thức từ nhà sản xuất linh kiện (Atmel, Wiznet), các chuẩn công nghệ của tổ chức IEEE, tài liệu phát triển phần mềm chính thức của Android và hệ thống dữ liệu đo đạc thực tế thu được trong quá trình vận hành thử nghiệm mô hình.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống SmartHome giá rẻ được thiết kế theo cấu trúc mô-đun hóa phân tán, phân bổ theo các khu vực chức năng trong ngôi nhà và kết nối đồng bộ về một bộ xử lý trung tâm.

Bộ xử lý trung tâm (Central Controller) sử dụng board mạch Arduino Mega 2560 làm hạt nhân xử lý nhờ số lượng chân I/O lớn (54 chân digital, 16 chân analog) và dung lượng bộ nhớ lớn (256 KB Flash). Để kết nối Internet, khối trung tâm được ghép nối trực tiếp với Ethernet Shield W5100 thông qua giao tiếp SPI và cổng mạng chuẩn RJ45 tốc độ 10/100 Mbps. Chip Wiznet W5100 tích hợp bộ đệm 16 KB cho phép thiết lập đồng thời lên đến 4 socket truyền dữ liệu song song qua giao thức TCP/UDP, hạn chế lỗi mất gói hoặc quá thời gian chờ (time out) so với các dòng chip phụ trợ khác như ENC28J60. Bên cạnh đó, trung tâm sử dụng module vô tuyến nRF24L01 để thu phát sóng RF hai chiều với các node chức năng phân tán trong nhà.

Phân khu chức năng	Phần cứng và cảm biến tích hợp	Chức năng vận hành chi tiết
Khối xử lý trung tâm	Arduino Mega 2560, Ethernet Shield W5100, module RF nRF24L01	Điều phối toàn bộ hoạt động mạng, tiếp nhận lệnh điều khiển từ Web/Android, đóng gói truyền thông UDP/RF, xử lý hiển thị trạng thái hệ thống.
Phòng khách	Arduino UNO, module nRF24L01, cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ DHT11, relay, nút nhấn cơ	Đo nhiệt độ phòng khách gửi về trung tâm; tự động bật/tắt thiết bị chiếu sáng theo cường độ sáng hoặc lệnh điều khiển từ xa; duy trì nút nhấn cơ dự phòng.
Phòng ngủ	Arduino UNO, module nRF24L01, cảm biến chuyển động HC-SR501 PIR, relay, nút nhấn cơ	Phát hiện chuyển động của con người để tự động đóng ngắt đèn ngủ; tiếp nhận lệnh điều khiển thiết bị qua sóng RF; có phím cơ can thiệp trực tiếp.
Phòng bếp	Arduino UNO, module nRF24L01, cảm biến khí gas MQ-2 (kèm LM358), module SIM900A Mini, còi báo	Giám sát nồng độ khí gas; khi có hiện tượng rò rỉ, hệ thống lập tức hú còi báo động tại chỗ và điều khiển module SIM900A gọi điện trực tiếp cảnh báo cho gia chủ.
Hệ thống cửa	Arduino UNO, đầu đọc RFID RC522, bàn phím cơ 4x4, LCD 16x2, chuông điện, chốt khóa	Quản lý đóng/mở cửa bằng thẻ từ RFID hoặc mật mã bàn phím; hiển thị thông báo qua LCD 16x2; kích hoạt chuông cảnh báo khi nhập sai mật khẩu nhiều lần.

Phần mềm điều khiển hệ thống bao gồm hai giao diện chính:

• Ứng dụng di động Android: Được lập trình bằng ngôn ngữ Java, tương thích với các thiết bị chạy hệ điều hành Android. Giao diện được thiết kế gồm màn hình đăng nhập bảo mật và màn hình điều khiển tập trung hiển thị trực quan trạng thái bật/tắt của đèn, quạt, các thông số nhiệt độ môi trường gửi về từ cảm biến. Ứng dụng được biên dịch và kiểm thử trên môi trường máy ảo Genymotion cũng như trên điện thoại thông minh thực tế kết nối Internet.
• Giao diện điều khiển trên nền Web: Được cấu hình trên Web Server nhúng, cho phép người dùng truy cập bằng bất kỳ trình duyệt web tiêu chuẩn nào từ máy tính cá nhân hoặc thiết bị cầm tay. Khi người dùng thao tác chuyển đổi trạng thái trên giao diện web, các bản tin HTTP request được gửi đến khối trung tâm để chuyển tiếp thành tín hiệu điều khiển rơ-le qua mạng truyền thông nội bộ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này phác thảo tổng quan vai trò của công nghệ thông tin và làn sóng Internet of Things trong xã hội hiện đại. Tác giả dẫn chứng và phân tích một số hệ thống nhà thông minh thương mại tiêu biểu trên thế giới và tại Việt Nam gồm hệ thống của BKAV SmartHome, LG và SAMSUNG. Thông qua việc phân tích đặc điểm thị trường, chương 1 khẳng định rào cản lớn nhất đối với việc phổ cập nhà thông minh tại Việt Nam là giá thành quá đắt đỏ. Từ đó, tác giả xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống SmartHome giá rẻ, thiết lập danh mục 5 nhiệm vụ chức năng, giới hạn phạm vi nghiên cứu thực nghiệm và cấu trúc đồ án thành 5 chương nội dung.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng lý thuyết phục vụ thiết kế kỹ thuật. Về phần cứng nhúng, chương sách giới thiệu chi tiết cấu trúc phần cứng của hai kit điều khiển Arduino UNO R3 và Arduino Mega 2560, bao gồm các bảng thông số kỹ thuật về điện áp hoạt động (5V), điện áp cấp khuyến nghị (7-12V), cấu trúc chân I/O số, chân analog, xung nhịp thạch anh 16 MHz và sơ đồ giao diện Arduino IDE. Về lý thuyết mạng, tác giả trình bày cơ chế CSMA/CD của chuẩn Ethernet IEEE 802.3, phân tích sự khác nhau giữa Half-Duplex và Full-Duplex, cấu trúc 7 lớp của mô hình OSI và 4 lớp của mô hình TCP/IP. Chương này so sánh chi tiết giữa giao thức TCP (hướng kết nối, tin cậy, kiểm soát lỗi) và giao thức UDP (phi kết nối, tốc độ nhanh, phù hợp thời gian thực), phân tích định dạng tiêu đề IP datagram, TCP segment và UDP datagram. Tiếp đó, tác giả thuyết minh chức năng của Router, các loại Switch (Workgroup, Segment, Backbone), tổng quan hệ điều hành Android và vòng đời Activity. Cuối cùng, chương 2 phân tích thông số, sơ đồ chân và nguyên lý hoạt động của từng linh kiện: Ethernet Shield W5100, module RF nRF24L01, cảm biến DHT11, cảm biến khí gas MQ-2 (kết hợp IC so sánh LM358), cảm biến PIR HC-SR501, cảm biến quang trở, module GSM SIM900A Mini, module RFID RC522, bàn phím cơ 4x4, LCD 16x2, rơ-le và nút nhấn.

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế kỹ thuật từ yêu cầu hệ thống đến sơ đồ nguyên lý phần cứng và giải thuật phần mềm. Tác giả xây dựng sơ đồ khối tổng thể mô tả luồng giao tiếp giữa khối trung tâm và 4 phân khu chức năng (phòng khách, phòng ngủ, phòng bếp, hệ thống cửa). Nội dung chương đi sâu vào từng lưu đồ giải thuật và sơ đồ kết nối chân cụ thể:

• Sơ đồ và thuật toán xử lý phòng khách (kết nối cảm biến ánh sáng, DHT11, relay).
• Sơ đồ và thuật toán xử lý phòng ngủ (kết nối cảm biến chuyển động HC-SR501 PIR, relay).
• Sơ đồ và thuật toán xử lý phòng bếp (xử lý tín hiệu cảm biến gas MQ-2, điều khiển module SIM900A Mini thực hiện cuộc gọi khẩn cấp qua mạng GSM).
• Sơ đồ và thuật toán xử lý hệ thống cửa (giao tiếp SPI với RFID RC522 để quét thẻ từ, quét bàn phím cơ ma trận 4x4, hiển thị trạng thái lên LCD 16x2 và kích hoạt chuông cảnh báo khi nhập sai mã quá số lần quy định).
• Sơ đồ khối xử lý trung tâm tích hợp Arduino Mega 2560, Ethernet Shield W5100 và module nRF24L01. Về phần mềm, chương 3 trình bày giải thuật xử lý của ứng dụng Android, thiết kế giao diện đồ họa, các bước tạo lập và thực thi trên máy ảo Genymotion cũng như lưu đồ giải thuật và giao diện điều khiển trên nền tảng Web.

Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá

Chương 4 ghi nhận kết quả thi công mô hình phần cứng thực tế với các góc nhìn tổng thể từ trên xuống và từ phía trước. Tác giả tiến hành các kịch bản chạy thử nghiệm bao gồm: quá trình đóng/ngắt các thiết bị điện trong từng phòng, giao diện đăng nhập và điều khiển các tải trên ứng dụng Android thực tế, kiểm tra giao diện web server khi truy cập qua mạng cục bộ và Internet. Chương này đưa ra các đánh giá kỹ thuật khách quan về ưu điểm và nhược điểm của mô hình:

• Ưu điểm: Hệ thống vận hành đúng theo các yêu cầu thiết kế ban đầu; các chức năng điều khiển thiết bị qua Android và Web hoạt động ổn định; các cảm biến môi trường, chuyển động và rò rỉ gas gửi tín hiệu chính xác; hệ thống cuộc gọi cảnh báo SIM900A kích hoạt kịp thời; hệ thống cửa RFID và bàn phím cơ hoạt động an toàn; chi phí phần cứng thấp nhờ tận dụng linh kiện phổ biến.
• Nhược điểm: Hệ thống còn tồn tại một số hạn chế về mặt phần cứng và truyền thông, cụ thể là độ bền và độ nhạy của các loại cảm biến giá rẻ kém hơn so với thiết bị công nghiệp; giao tiếp mạng chưa có cơ chế bảo mật nâng cao; tính thẩm mỹ của mô hình lắp ráp thủ công chưa cao.

Chương 5: Kết quả và hướng phát triển

Chương 5 đúc kết toàn bộ các nội dung nghiên cứu và sản phẩm thực tế đã hoàn thành của đồ án. Tác giả khẳng định đã chế tạo thành công một mô hình SmartHome giá rẻ với đầy đủ các tính năng cơ bản, minh chứng cho tính khả thi của giải pháp điều khiển nhúng trong quản lý gia dụng. Đồng thời, chương này đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Về mặt kết quả thực nghiệm, đồ án đã chế tạo thành công một mô hình nhà thông minh thu nhỏ với các thông số kỹ thuật và tính năng hoạt động thực tế:

• Điều khiển đóng ngắt thành công các tải điện dân dụng thông qua mạng rơ-le cách ly, hỗ trợ song song ba phương thức: nút bấm cơ học tại chỗ, ứng dụng di động Android (đã chạy thử nghiệm trên máy ảo Genymotion và thiết bị thật) và giao diện Web qua kết nối Ethernet Shield W5100.
• Module SIM900A Mini thực hiện thành công chức năng gọi điện thoại khẩn cấp đến số của gia chủ ngay khi cảm biến MQ-2 ghi nhận nồng độ khí gas vượt ngưỡng an toàn.
• Hệ thống cửa điện tử tích hợp hoàn chỉnh hai lớp bảo mật: nhận diện mã định danh thẻ RFID thông qua đầu đọc RC522 và nhập mật mã cơ học trên bàn phím ma trận 4x4, có thông báo trạng thái qua LCD 16x2 và phát chuông cảnh báo tự động khi nhập sai mã nhiều lần.
• Cập nhật liên tục dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm môi trường từ cảm biến DHT11 và hiển thị thời gian thực lên giao diện điều khiển.

Về giải pháp và kiến nghị kỹ thuật, nhóm tác giả đề xuất việc tối ưu hóa chi phí phần cứng bằng cách lựa chọn dòng vi điều khiển nguồn mở Arduino UNO R3 (giá thành khoảng 90.000 VNĐ) cho các node ngoại vi phân tán và Arduino Mega 2560 cho node trung tâm; ứng dụng sóng vô tuyến RF tầm ngắn (module nRF24L01) cho mạng nội bộ thay vì đi dây phức tạp; sử dụng giao thức UDP để truyền các khung điều khiển thời gian thực nhằm đạt tốc độ đáp ứng cao. Đồng thời, giải pháp bố trí song song các nút nhấn cơ học trực tiếp tại mỗi phòng được tác giả kiến nghị như một phương án dự phòng bắt buộc đối với các hệ thống SmartHome giá rẻ, giúp người dùng không bị gián đoạn sinh hoạt khi xảy ra sự cố mất kết nối mạng.

Đóng góp chính của đề tài là việc chứng minh tính khả thi của một hệ thống nhà thông minh tích hợp đa nền tảng (phần cứng vi điều khiển, mạng RF/Ethernet, ứng dụng di động Android, Web) với mức kinh phí rất thấp, phù hợp với điều kiện thu nhập của người dùng Việt Nam, khắc phục nhược điểm giá thành đắt đỏ của các hệ thống thương mại nhập ngoại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế, văn bản đồ án chỉ rõ:

• Độ nhạy và độ bền cơ lý của các cảm biến giá rẻ (như DHT11, MQ-2, PIR HC-SR501) còn kém hơn đáng kể so với các hệ thống cảm biến chuyên dụng trong các giải pháp thương mại của BKAV, LG hay Samsung.
• Hệ thống mới dừng lại ở mức độ mô hình thử nghiệm (prototype) quy mô nhỏ, các mạch điện còn kết nối dạng module rời rạc, chưa được tối ưu hóa đóng gói thành các khối thiết bị hoàn thiện có độ thẩm mỹ và khả năng chống nhiễu công nghiệp cao.
• Việc lựa chọn giao thức UDP cho khung điều khiển dù đem lại tốc độ truyền nhận nhanh nhưng vốn dĩ là giao thức không đảm bảo tính tin cậy tuyệt đối (không có cơ chế báo nhận ACK ở tầng giao vận và không tự động truyền lại khi mất gói).

Về hướng nghiên cứu tiếp theo, đề tài xác định các nội dung mở rộng:

• Nghiên cứu thay thế hoặc hiệu chuẩn các loại cảm biến có độ chính xác, độ nhạy và tuổi thọ cao hơn để tăng độ tin cậy vận hành.
• Hoàn thiện thiết kế phần cứng theo hướng tích hợp mạch in (PCB) nguyên khối, giảm kích thước vật lý và nâng cao tính thẩm mỹ cũng như khả năng chống nhiễu.
• Tích hợp thêm các thuật toán điều khiển tự động thông minh và mở rộng các giao thức bảo mật dữ liệu trên đường truyền mạng Internet.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích dành cho:

• Sinh viên và học viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ 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, đồ án tốt nghiệp về hệ thống nhúng, Internet of Things (IoT) và tự động hóa tòa nhà.
• Những người nghiên cứu và phát triển phần cứng theo xu hướng Do-It-Yourself (DIY), quan tâm đến giải pháp tự xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị gia dụng giá rẻ.

Phần nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu nhất là Chương 2 và Chương 3, nơi trình bày chi tiết sơ đồ chân, bảng thông số kỹ thuật của kit Arduino, nguyên lý ghép nối chip Ethernet W5100 qua giao tiếp SPI, cấu trúc lưu đồ giải thuật cho từng phân khu chức năng (phòng khách, phòng ngủ, phòng bếp, hệ thống cửa) và quy trình thiết kế ứng dụng Android kết nối Web Server điều khiển nhúng.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống sử dụng những loại kit vi điều khiển nào và thông số bộ nhớ của chúng ra sao?

Hệ thống sử dụng hai dòng board mạch là Arduino UNO R3 và Arduino Mega 2560. Về bộ nhớ:

• Arduino UNO R3 (chip ATmega328) có 32 KB Flash (trong đó 0.5 KB dành cho bootloader), 2 KB SRAM và 1 KB EEPROM.
• Arduino Mega 2560 (chip ATmega2560) có 256 KB Flash (trong đó 8 KB dành cho bootloader), 8 KB SRAM và 4 KB EEPROM.

Module Ethernet nào được chọn cho khối trung tâm và ưu điểm của nó so với dòng chip ENC28J60 là gì?

Khối trung tâm sử dụng module Ethernet Shield W5100 tích hợp IC W5100 của Wiznet. Ưu điểm nổi bật của W5100 so với Microchip ENC28J60 là khả năng hỗ trợ phần cứng cho cả hai giao thức TCP và UDP với khả năng truyền nhận đồng thời lên đến 4 luồng dữ liệu song song (4 socket độc lập), giúp giảm thiểu tỷ lệ lỗi do nghẽn đường truyền hoặc quá thời gian chờ (timeout).

Giao thức nào được nhóm tác giả lựa chọn cho khung điều khiển lớp trên và lý do là gì?

Nhóm tác giả lựa chọn giao thức UDP (User Datagram Protocol) làm giao thức truyền khung điều khiển của lớp trên. Lý do là vì UDP có cấu trúc tiêu đề đơn giản, không tốn thời gian thiết lập bắt tay ba bước như TCP, cho phép truyền dữ liệu nhanh và đáp ứng tốt các yêu cầu điều khiển trong thời gian thực.

Cơ chế hoạt động và xử lý an ninh của hệ thống cửa thông minh được thiết kế như thế nào?

Cửa thông minh tích hợp công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến qua module RFID RC522 kết hợp bàn phím cơ 4x4 và màn hình LCD 16x2. Người dùng có thể mở cửa bằng thẻ từ hợp lệ hoặc nhập đúng chuỗi mật mã. Trong trường hợp người dùng nhập sai mật khẩu nhiều lần, hệ thống sẽ kích hoạt chuông điện phát âm thanh cảnh báo tự động để phòng ngừa truy cập trái phép.

Khi xảy ra sự cố gián đoạn kết nối mạng Internet hoặc mạng vô tuyến, hệ thống được vận hành bằng cách nào?

Nhóm tác giả đã thiết kế hệ thống nút nhấn cơ học hai chân/bốn chân đấu nối trực tiếp tại các phòng chức năng. Giải pháp này cho phép người dùng can thiệp đóng/ngắt các thiết bị điện tại chỗ một cách thủ công, bảo đảm sinh hoạt trong gia đình không bị ảnh hưởng khi mạng Ethernet hoặc sóng RF gặp sự cố.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống SmartHome giá rẻ" của sinh viên Trần Nam Hải và Lê Hoài Nam (Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) đã giải quyết trọn vẹn bài toán xây dựng mô hình nhà thông minh chi phí thấp đáp ứng khả năng chi trả của người dùng trong nước. Hệ thống tích hợp thành công vi điều khiển Arduino, Ethernet Shield W5100, module RF nRF24L01 và GSM SIM900A, cho phép điều khiển linh hoạt qua ứng dụng di động Android, trình duyệt web và phím bấm cơ học dự phòng. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi của giải pháp điều khiển nhúng phân tán, đồng thời chỉ ra các định hướng hoàn thiện về độ bền cảm biến và chuẩn hóa đóng gói mạch in cho các giai đoạn phát triển tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu Giới thiệu tổng quan về hệ thống SmartHome - Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày các lý thuyết liên quan đến phần cứng và phần mềm của hệ thống. - Chương 3: Thiết kế hệ thống Trên cơ sở lý thuyết và các yêu cầu của đề tài tiến hành xây dựng hệ thống gồm phần cứng và phần mềm. - Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá Tiến hành chạy thử hệ thống đánh giá ưu và nhược điểm của hệ thống. - Chương 5: Kết quả và hướng phát triển Đưa ra các kết luận về các vấn đề đã hoàn thành, các mặt hạn chế và hướng phát triển của đề tài.

3 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÚNG Hệ thống nhúng là một máy tính được thiết kế để thực hiện một số chức năng chuyên biệt và cụ thể. Ngày này, các hệ thống nhúng xuất hiện trong mọi lĩnh vực của đời sống con người. Với sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực này, các nhà sản xuất đã giới thiệu nhiều nền tảng nhúng dễ dàng tiếp cận, giá thành thấp phù hợp với các đối tượng là học sinh sinh viên.1 Giới thiệu KIT Arduino Hệ thống SmartHome sử dụng hai board lập trình điều khiển là Arduino UNO R3 và Arduino Mega 2560. - Ra đời vào năm 2005 với mục đích ban đầu là dùng cho sinh viên nghiên cứu[1], các board Arduino có giá thành rẻ(khoảng 90,000 VND cho Arduino UNO R3), dễ tiếp cận và là một nền tảng phần cứng với mã nguồn mở.

Arduino có các ưu điểm như: Việc lập trình Arduino có thể được thực hiện trên nhiều hệ điều hành như Windows, Mac Os, Linux, Android. - Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu. - Arduino là phần cứng mã nguồn mở, được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên việc mở rộng phần cứng dễ dàng. - Phát triển dựa trên mã nguồn mở nên phần mềm chạy trên Arduino có thể dễ dàng chia sẻ và chạy trên nhưng nền tảng khác.

Ứng dụng hướng đến của Arduino: - Đưa ra một sản phẩm mới trong giáo dục. - Cung cấp một board lập trình giá rẻ với ngôn ngữ lập trình thân thiện cho học sinh sinh viên. - Giúp dễ dàng thực hiện các dự án Do – It – Yourself(DIY) và Internet Of Things(IoTs).2 Phần cứng Arduino 2.1 Phần cứng Arduino UNO - Arduino UNO là board mạch thiết kế với vi xử lý trung tâm là vi điều khiển AVR ATmega328. Cấu tạo chính của Arduino UNO gồm những phần sau: [1] Hình 2.1 Board Arduino UNO R3 1.

Cổng USB: cổng giao tiếp với máy tính để upload code lên vi điều khiển đồng thời cũng là cổng giao tiếp để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển với máy tính. Jack cắm nguồn: tuy rằng để chạy Arduino có thể lấy nguồn từ cổng USB nhưng trong nhiều trường hợp vẫn cần cắm nguồn ngoài cho KIT. Nguồn để đưa vào từ 9V đến 12V. Các chân header(cái) có đánh số từ 0 đến 12 là hàng digital pin, nhận vào hoặc xuất ra tín hiệu số.

Có một chân GND và chân điện áp tham chiếu AREF. Các chân nguồn và GND. Các chân để nhận vào hoặc xuất ra tín hiệu analog. Vi điều khiển AVR ATmega328.

- Các thông số kỹ thuật của Arduino UNO: [1]  Điện áp hoạt động: 5V  Điện áp vào khuyên dùng: 7 – 12V 5  Điện áp vào giới hạn: 6 – 20V  Chân vào/ra digital: 14 chân(trong đó có 6 chân PWM)  Chân vào analog: 6 chân  Dòng điện trong mỗi chân I/O: 20mA  Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA  Bộ nhớ trong: 32 KB(0.5 KB sử dụng bởi bootloader)  SRAM: 2 KB  EEPROM: 1 KB  Xung nhịp: 16MHz 2.