Đồ Án Thiết Kế và Thi Công Mô Hình Điều Khiển Thiết Bị Điện Tại HCMUTE

Đồ án kỹ thuật nghiên cứu hcmute thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Nguyễn Tri Phương
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Đình Phú
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Mô Hình Điều Khiển Thiết Bị Điện
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
• 1.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.3. GIỚI HẠN
• 1.4. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DÂN DỤNG
• 2.2. TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS
• 2.2.1. Lịch sử hình thành
• 2.2.2. Ứng dụng của IoT
• 2.2.3. CÔNG NGHỆ WIFI
• 2.2.3.1. Công nghệ truyền nhận dữ liệu
• 2.2.3.2. Thành phần của mạng Wifi
• 2.2.3.3. Cấu trúc liên kết
• 2.2.3.4. Cách thức hoạt động
• 2.2.3.5. Giao tiếp trong Wifi
• 2.2.3.6. Ưu nhược điểm
• 2.2.4. HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID
• 2.2.4.1. Kiến trúc cơ bản
• 2.2.4.2. Thành phần của ứng dụng Android
• 2.2.4.3. Ưu nhược điểm
• 2.2.5. GIAO THỨC MQTT
• 2.2.5.1. Thành phần của MQTT
• 2.2.5.2. Broker trong IoT
• 2.2.6. GIỚI THIỆU NODE – RED
• 2.2.6.1. Node – RED và IoT
• 2.2.7. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
• 2.2.7.1. Giới thiệu chip Wifi ESP32
• 2.2.7.2. Tổng quan ESP32
• 2.2.7.3. Sơ đồ chân của module ESP32-WOOM-32
• 2.2.7.4. Chức năng tích hợp trong ESP32
• 2.2.7.5. CPU và kiến trúc bộ nhớ
• 2.2.7.6. Timers và Watchdogs
• 2.2.7.7. Hệ thống xung đồng hồ (Clock)
• 2.2.7.8. RTC và quản lý năng lượng thấp
• 2.2.7.9. Thiết bị ngoại vi và cảm biến của ESP32
• 2.2.7.10. Đặc tính về điện
• 2.2.7.11. Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32
• 2.2.7.12. Giới thiệu cảm biến
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.2. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
• 3.3. Tính toán và thiết kế
• 3.4. Khối xử lý trung tâm
• 3.5. Khối ngõ ra công suất
• 3.6. Khối cảm biến
• 3.7. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.2. Thi công board mạch
• 4.3. Lắp ráp và kiểm tra
• 4.4. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
• 4.5. Đóng gói bộ điều khiển
• 4.6. Thi công mô hình
• 4.7. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
• 4.7.1. Lưu đồ giải thuật mạch điều khiển
• 4.7.2. Lưu đồ giải thuật Web Server
• 4.7.3. Phần mềm lập trình vi điều khiển
• 4.7.4. Chương trình điều khiển
• 4.7.5. Ứng dụng Android
• 4.8. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC
• 4.8.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng
• 4.8.2. Quy trình thao tác
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 5.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• 5.2. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5.2.1. Điều khiển và giám sát thiết bị, cảm biến qua Web Server
• 5.2.2. Điều khiển và giám sát thiết bị, cảm biến qua ứng dụng Android
• 5.3. NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Mô hình Điều khiển Thiết bị Điện tại HCMUTE Tổng quan

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện" tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) tập trung vào việc thiết kế và triển khai một hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa. Đồ án sử dụng mạng Wifi và môi trường Internet để kết nối và giám sát thiết bị. Thiết kế hệ thống bao gồm cả phần cứng và phần mềm, tích hợp module ESP32 làm bộ điều khiển trung tâm. Hệ thống cho phép điều khiển từ xa các thiết bị điện thông qua ứng dụng Android và giao diện Web. Đồ án cũng tập trung vào việc giám sát trạng thái hoạt động và thu thập dữ liệu từ các thiết bị.

1.1 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và thi công một mô hình điều khiển thiết bị điện hiệu quả, đáng tin cậy, sử dụng công nghệ hiện đại. Hệ thống nhắm đến khả năng điều khiển thiết bị điện thông thường như đèn, quạt, loa, tivi trong một phòng học. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc thiết kế hệ thống, lập trình phần cứng (ESP32), phát triển ứng dụng Android và giao diện Web, kiểm thử và đánh giá hiệu quả hệ thống. Ứng dụng Android và giao diện Web sẽ cho phép người dùng điều khiển từ xa và giám sát các thiết bị điện một cách tiện lợi. Hệ thống sẽ giám sát được nhiệt độ và độ ẩm của phòng. Mô hình điều khiển thiết bị điện được thiết kế với mục đích ứng dụng thực tiễn tại các phòng học, phòng thí nghiệm, hay hộ gia đình.

1.2 Công nghệ và phương pháp

Đồ án áp dụng công nghệ Internet of Things (IoT), sử dụng mạng Wifi để kết nối các thiết bị. Module ESP32 được chọn làm bộ điều khiển trung tâm nhờ khả năng xử lý, kết nối và khả năng lập trình linh hoạt. Giao thức MQTT được sử dụng để truyền dữ liệu giữa các thiết bị và máy chủ. Ứng dụng Android và giao diện Web được xây dựng sử dụng các công cụ phát triển ứng dụng phổ biến. Thiết kế phần cứng bao gồm việc chọn lựa linh kiện, thiết kế mạch điện, và lắp ráp hệ thống. Việc kiểm thử hệ thống được thực hiện qua nhiều giai đoạn, từ thử nghiệm từng module cho đến thử nghiệm toàn bộ hệ thống. Phương pháp nghiên cứu bao gồm nghiên cứu tài liệu, thiết kế, triển khai và đánh giá. Phân tích dữ liệu được thực hiện để đánh giá hiệu quả của hệ thống.

II. Phân tích và đánh giá mô hình

Đồ án tốt nghiệp này thể hiện sự hiểu biết tốt về các công nghệ điều khiển thiết bị điện hiện đại. Việc sử dụng ESP32 như một bộ điều khiển trung tâm là hợp lý, đáp ứng được yêu cầu về khả năng xử lý, kết nối và lập trình. Việc kết hợp ứng dụng Android và giao diện Web tăng cường tính tiện lợi cho người dùng. Tuy nhiên, đồ án vẫn còn một số hạn chế. Hệ thống chỉ được thử nghiệm trong phạm vi phòng học, khả năng mở rộng và ứng dụng trong môi trường phức tạp hơn cần được xem xét thêm. An toàn điện cần được chú trọng hơn trong thiết kế và thi công.

2.1 Ưu điểm của mô hình

Mô hình có nhiều ưu điểm. Sử dụng công nghệ IoT hiện đại và phổ biến. Khả năng điều khiển từ xa các thiết bị điện thông qua internet. Ứng dụng Android và giao diện Web thân thiện với người dùng. Việc giám sát trạng thái hoạt động các thiết bị và lưu trữ dữ liệu rất hữu ích. Mô hình có tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao. Thiết kế hệ thống gọn nhẹ, dễ lắp đặt. Module ESP32 cho phép mở rộng chức năng trong tương lai. PLC trong điều khiển thiết bị điện là một hướng phát triển khả thi. SCADA trong điều khiển thiết bị điện cũng là hướng phát triển thú vị cần xem xét thêm.

2.2 Hạn chế và hướng phát triển

Một số hạn chế cần được khắc phục. Khả năng mở rộng của hệ thống còn hạn chế. Chưa có tính năng quản lý năng lượng tích hợp. Việc an toàn điện cần được cải thiện. Khả năng tương thích với các thiết bị khác nhau cần được nghiên cứu thêm. Mô hình điều khiển tự động có thể được cải thiện bằng thuật toán thông minh hơn. Ứng dụng vi xử lý trong điều khiển thiết bị điện cần được nghiên cứu sâu hơn. Kiến trúc hệ thống điều khiển có thể được tối ưu hoá để tăng hiệu suất. Đào tạo điều khiển thiết bị điện tại HCMUTE cần được cập nhật để đáp ứng xu hướng công nghệ.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh hiện đại hóa và tự động hóa công trình, việc quản lý và sử dụng năng lượng điện an toàn, hiệu quả là một yêu cầu cấp thiết. Tại các tòa nhà, văn phòng làm việc và đặc biệt là hệ thống phòng học, phòng thí nghiệm quy mô lớn ở các trường đại học, tình trạng thiết bị điện vận hành không hợp lý hoặc quên tắt sau giờ học diễn ra phổ biến. Điều này không chỉ gây thất thoát, lãng phí điện năng mà còn làm suy giảm tuổi thọ của các thiết bị dân dụng. Xuất phát từ thực trạng khảo sát các phòng học tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đề tài "Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện" được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông nhằm xây dựng giải pháp giám sát và điều khiển thiết bị điện qua Internet, ứng dụng công nghệ Internet of Things (IoT).

Mục tiêu tổng quát của đề tài là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ thống phần cứng kết hợp phần mềm cho phép người quản lý bật/tắt thiết bị điện từ xa thông qua ứng dụng di động Android và giao diện Web Server, đồng thời giám sát trạng thái hoạt động và lưu trữ dữ liệu thời gian thực.

Nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể qua 10 nội dung thực hiện:

1. Tìm hiểu công nghệ mạng không dây Wifi, các đặc điểm kỹ thuật, cách thức giao tiếp và chế độ hoạt động.
2. Tìm hiểu nền tảng hệ điều hành Android và cơ chế phát triển ứng dụng di động.
3. Nghiên cứu phương thức truyền nhận dữ liệu thông qua máy chủ Server MQTT (CloudMQTT).
4. Khảo sát vi điều khiển ESP32, thiết kế hệ thống giao tiếp không dây.
5. Tính toán, thiết kế và thi công mạch phần cứng điện tử và xây dựng phần mềm điều khiển.
6. Thiết kế kết cấu mô hình vật lý, lắp ráp các khối mạch điều khiển vào hộp bảo vệ.
7. Chạy thử nghiệm, kiểm tra thông mạch, đo kiểm tín hiệu và cân chỉnh tối ưu hệ thống.
8. Đánh giá kết quả thực nghiệm về độ ổn định, tốc độ đáp ứng và khả năng đồng bộ dữ liệu.
9. Viết báo cáo thuyết minh đồ án tốt nghiệp theo quy chuẩn học thuật.
10. Bảo vệ đồ án trước Hội đồng chấm tốt nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các thiết bị điện dân dụng trang bị trong giảng đường và hệ thống điều khiển nhúng kết nối mạng. Phạm vi khảo sát lý thuyết nhắm đến một phòng học tiêu chuẩn gồm 12 thiết bị tiêu thụ điện (4 đèn tuýp LED, 4 quạt trần, 3 loa phát thanh, 1 TV LCD). Phạm vi thi công phần cứng thực tế giới hạn ở một module điều khiển công suất 4 kênh tải 220VAC, tích hợp cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 và hiển thị trạng thái bằng LED chỉ thị. Đề tài được triển khai thực hiện tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong thời gian từ ngày 18/02/2019 đến ngày 30/06/2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án được xây dựng từ các khối kiến thức chuyên ngành về kỹ thuật vi điều khiển, điện tử cơ bản, kỹ thuật số và mạng truyền thông không dây. Các nội dung nền tảng bao gồm:

• Kiến trúc mạng Internet of Things (IoT): Mô hình thu thập dữ liệu từ cảm biến, truyền tải qua môi trường Internet, lưu trữ và xử lý trên nền tảng đám mây (Cloud Platform), cho phép giao tiếp người - máy thông qua các ứng dụng đầu cuối.
• Chuẩn truyền thông Wifi (IEEE 802.11): Phân tích cơ chế hoạt động của các chuẩn IEEE 802.11b/g/n trên băng tần 2.4GHz; cấu trúc mạng ngang hàng (Peer-to-Peer) và cấu trúc mạng cơ sở hạ tầng (Infrastructure Mode) thông qua Access Point (AP) cùng quy trình giao tiếp 3 giai đoạn (chuẩn bị mã hóa tín hiệu, truyền sóng vô tuyến và giải mã dữ liệu).
• Hệ điều hành Android: Kiến trúc phân tầng gồm Linux Kernel, Thư viện (Libraries), Android Runtime (máy ảo Dalvik), Android Framework và Tầng ứng dụng (Application); đi cùng bốn thành phần cốt lõi của ứng dụng Android: Activities, Services, Broadcast Receivers và Content Providers.
• Giao thức mạng MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): Giao thức truyền thông điệp theo mô hình Xuất bản/Đăng ký (Publish/Subscribe) gọn nhẹ, hoạt động dựa trên các thành phần Client (Publisher, Subscriber), Broker trung tâm, Topic và Message. Đồ án khảo sát ba mức chất lượng dịch vụ: QoS0 (gửi tối đa một lần), QoS1 (đảm bảo ít nhất một lần) và QoS2 (đảm bảo đúng duy nhất một lần).
• Môi trường lập trình Node-RED: Công cụ lập trình dựa trên luồng sự kiện (flow-based) chạy trên nền Node.js, cung cấp giao diện trực quan với ba khu vực chức năng (khối node, không gian làm việc và cấu hình thuộc tính) để kết nối phần cứng với Web Server.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế phần cứng điện tử và thực nghiệm kiểm chứng:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thu thập số liệu công suất thiết bị điện dân dụng, tính toán dòng điện tiêu thụ và điện áp hoạt động của từng linh kiện mạch điều khiển.
• Phương pháp thiết kế và mô phỏng kỹ thuật: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, bố trí linh kiện và vẽ mạch in (PCB) 2 lớp (Top Layer và Bottom Layer), xuất mô hình 3D mạch điều khiển.
• Phương pháp lập trình và tích hợp hệ thống: Lập trình mã nguồn nhúng C/C++ cho vi điều khiển ESP32 trên nền tảng PlatformIO tích hợp trong Visual Studio Code; cấu hình Broker đám mây trên CloudMQTT; thiết kế giao diện Web Dashboard bằng Node-RED và ứng dụng di động Android qua MQTT Dashboard.
• Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mạch in thực tế, đóng gói vào hộp bảo vệ, đấu nối tải 220VAC thực tế và cảm biến DHT11 để kiểm tra khả năng đóng cắt rơ-le, đo thời gian đáp ứng và kiểm tra tính đồng bộ 2 chiều của hệ thống.

Nguồn dữ liệu tham khảo chính của đồ án gồm: Giáo trình Vi điều khiển, Giáo trình Điện tử cơ bản, Giáo trình Kỹ thuật số của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh; tài liệu kỹ thuật (datasheet) module ESP-WROOM-32 từ nhà sản xuất Espressif Systems; bảng thống kê công suất thiết bị điện thực tế trong phòng học.

Nhóm thông số / Thiết bị	Tên thông số / Loại thiết bị	Giá trị / Đặc tính kỹ thuật
Công suất thiết bị phòng học	Đèn tuýp LED 1m2	36 W
	TV LCD 32 inches	70 W
	Điều hòa nhiệt độ 2HP	1500 W
	Loa âm thanh	60 W
	Quạt trần	75 W
Module trung tâm ESP-WROOM-32	Chip xử lý	ESP32-D0WDQ6 (Dual-core Xtensa 32-bit LX6)
	Tần số xung nhịp	80 MHz – 240 MHz
	Bộ nhớ trong	448 KB ROM, 520 KB SRAM, 16 KB RTC SRAM
	Bộ nhớ ngoài	4 MB SPI Flash
	Chuẩn truyền thông	Wifi 802.11 b/g/n (lên đến 150 Mbps), Bluetooth v4.2 / BLE
	Điện áp & Dòng hoạt động	2.6V – 3.6V (danh định 3.3V), dòng tối thiểu nguồn cấp: 500 mA

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module phân tầng, kết nối trực tiếp với nguồn điện xoay chiều 220VAC và hệ thống mạng không dây Internet.

Kiến trúc phần cứng và sơ đồ khối

Phần cứng của hệ thống bao gồm 4 khối chức năng chính:

• Khối xử lý trung tâm: Sử dụng bo mạch phát triển ESP32-DevKitC tích hợp module ESP-WROOM-32 với vi xử lý 32-bit lõi kép. Module này chịu trách nhiệm nhận tín hiệu cảm biến, xử lý logic điều khiển, kết nối Wifi và thực hiện giao thức MQTT để trao đổi dữ liệu với máy chủ.
• Khối ngõ ra công suất (4 kênh): Mỗi kênh điều khiển gồm 1 Rơ-le (Relay) điện từ 5VDC đóng cắt tiếp điểm 220VAC, được kích dẫn qua Transistor C1815 (NPN) và cách ly quang hoàn toàn bằng Opto PC817 nhằm bảo vệ vi điều khiển khỏi xung điện áp ngược và nhiễu từ lưới điện xoay chiều. Diode 1N4007 được mắc song song ngược với cuộn hút rơ-le để triệt tiêu sức điện động cảm ứng.
• Khối cảm biến: Cảm biến DHT11 kết nối với 1 chân GPIO của ESP32 để đo nhiệt độ (dải đo 0°C đến 50°C, sai số ±2°C) và độ ẩm môi trường (dải đo 20% đến 90% RH, sai số ±5% RH) bên trong hộp điều khiển.
• Khối nguồn: Sử dụng module chuyển đổi nguồn xung AC-DC từ điện áp lưới 220VAC hạ áp xuống 5VDC cung cấp cho khối rơ-le và mạch ổn áp cấp nguồn 3.3V cho chip ESP32 và cảm biến.

Thiết kế phần mềm và hạ tầng truyền thông

Hệ thống sử dụng dịch vụ điện toán đám mây CloudMQTT làm Broker trung tâm để điều phối toàn bộ các luồng thông điệp theo kiến trúc Publish/Subscribe.

• Phần mềm nhúng (Firmware): Được biên soạn bằng ngôn ngữ C/C++ trên môi trường Visual Studio Code có cài đặt tiện ích PlatformIO IDE. Chương trình thực hiện khởi tạo kết nối Wifi, kết nối định kỳ đến Broker CloudMQTT, đăng ký (subscribe) các topic nhận lệnh điều khiển rơ-le và xuất bản (publish) trạng thái phản hồi của thiết bị cùng dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm lên máy chủ.
• Giao diện Web Server (Node-RED): Được triển khai dựa trên các node chức năng: node mqtt-in nhận dữ liệu từ broker, node mqtt-out gửi lệnh điều khiển, kết hợp cùng các node UI (nút bấm, công tắc switch, đồng hồ hiển thị nhiệt độ/độ ẩm). Toàn bộ giao diện được cấu hình trực quan và xuất bản (deploy) để truy cập qua trình duyệt Web.
• Ứng dụng di động (Android Dashboard): Ứng dụng MQTT Dashboard trên hệ điều hành Android được thiết lập kết nối đến cùng địa chỉ Broker, cấu hình các nút bấm điều khiển 4 thiết bị tương ứng với 4 topic và các bảng hiển thị giá trị cảm biến thời gian thực.

Tên khối mạch	Linh kiện chính sử dụng	Chức năng kỹ thuật
Khối trung tâm	ESP32-DevKitC (ESP-WROOM-32)	Xử lý thuật toán, thu phát Wifi, giao tiếp MQTT
Khối cách ly & đệm	Opto PC817, BJT C1815, Điện trở	Cách ly quang bảo vệ MCU, khuếch đại dòng kích mở rơ-le
Khối đóng cắt tải	Relay 5VDC, Diode 1N4007	Đóng/ngắt dòng điện 220VAC, dập điện áp cảm ứng cuộn dây
Khối cảm biến	Module DHT11	Thu thập nhiệt độ, độ ẩm môi trường hoạt động của mạch
Khối cấp nguồn	Module nguồn AC-DC 220VAC/5VDC	Cung cấp nguồn 5VDC ổn định cho toàn bộ hệ thống

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Mục tiêu đề tài - Đặt vấn đề

Chương này nêu rõ lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu cấp bách về tiết kiệm điện năng tại các phòng học, phòng thí nghiệm và xu hướng phát triển của kỹ thuật truyền nhận dữ liệu không dây. Văn bản trình bày 10 nội dung nghiên cứu cần hoàn thành, đồng thời xác định phạm vi giới hạn: hệ thống điều khiển được 4 thiết bị điện 220VAC trên mỗi module phần cứng, đồng bộ điều khiển giữa ESP32, ứng dụng Android và Web Server, kết hợp giám sát nhiệt độ và độ ẩm của bộ điều khiển.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng kiến thức chi tiết làm cơ sở cho việc thiết kế:

• Thống kê các thiết bị điện dân dụng trong phòng học và công suất tiêu thụ của từng thiết bị.
• Tổng quan về mạng Internet of Things, lịch sử phát triển từ năm 1982/1999 và các ứng dụng tiêu biểu (Smart Home, Giao thông, Y tế, Smart Farming, Smart City).
• Phân tích công nghệ Wifi (chuẩn IEEE 802.11b/g/a/n, mô hình Peer to Peer, Infrastructure, 3 giai đoạn truyền nhận dữ liệu và bảo mật WEP/WPA).
• Phân tích hệ điều hành Android (lịch sử, kiến trúc 5 tầng, 4 thành phần ứng dụng).
• Cơ chế hoạt động của giao thức MQTT, mô hình Publish/Subscribe, chức năng của Broker, Client, Topic, Message và 3 cấp độ QoS (QoS0, QoS1, QoS2).
• Giới thiệu công cụ lập trình Node-RED và giao diện thiết kế luồng sự kiện.
• Khảo sát chi tiết phần cứng chip vi điều khiển ESP32, các phiên bản module (ESP-WROOM-32, ESP-WROOM-32D, ESP-WROVER...), kiến trúc bộ nhớ (ROM, SRAM, Flash), thông số kỹ thuật điện, cấu trúc sơ đồ 38 chân và nguyên lý hoạt động của cảm biến DHT11.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 đi sâu vào quá trình tính toán và thiết kế sơ đồ mạch:

• Thiết lập sơ đồ khối toàn hệ thống gồm Khối nguồn, Khối điều khiển trung tâm ESP32, Khối cảm biến DHT11 và Khối ngõ ra công suất rơ-le.
• Phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động của khối công suất ngõ ra: sử dụng tín hiệu từ GPIO của ESP32 kích mở Opto PC817, dẫn dòng vào cực B của Transistor C1815 để đóng cuộn hút Rơ-le 5V, bảo vệ bằng Diode 1N4007.
• Tính toán dòng điện tiêu thụ của các linh kiện trong mạch để lựa chọn module nguồn AC-DC thích hợp.
• Xây dựng sơ đồ nguyên lý toàn mạch chi tiết cho bo mạch điều khiển.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo phần cứng, lắp ráp mô hình và lập trình phần mềm:

• Thiết kế mạch in PCB 2 lớp: sơ đồ bố trí linh kiện, sơ đồ đi dây lớp trên (Top), lớp dưới (Bottom) và bản vẽ 3D.
• Hàn lắp linh kiện, kiểm tra thông mạch và hoàn thiện bo mạch điều khiển thực tế.
• Đóng gói mạch vào hộp bảo vệ chuyên dụng và thi công mô hình mặt trong, mặt ngoài của hệ thống điều khiển.
• Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình vi điều khiển ESP32 và lưu đồ giải thuật Web Server.
• Cài đặt và cấu hình môi trường lập trình Visual Studio Code tích hợp PlatformIO IDE.
• Tạo dự án, cấu hình Broker và giám sát dữ liệu trên CloudMQTT.
• Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát Web Server bằng công cụ Node-RED.
• Cấu hình ứng dụng MQTT Dashboard trên nền tảng Android.
• Xây dựng tài liệu hướng dẫn sử dụng và quy trình thao tác vận hành hệ thống.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương này tổng kết các kết quả thực nghiệm đạt được:

• Vận hành thành công mô hình phần cứng khi cấp nguồn xoay chiều 220VAC.
• Kiểm thử chức năng bật, tắt 4 thiết bị điện độc lập và hiển thị trạng thái tương ứng thông qua đèn LED báo hiệu trên mô hình.
• Hiển thị và cập nhật liên tục thông số nhiệt độ, độ ẩm đo được từ cảm biến DHT11 lên giao diện Web Node-RED và ứng dụng Android.
• Đánh giá khả năng đồng bộ trạng thái thiết bị 2 chiều qua Broker CloudMQTT giữa các nền tảng điều khiển.
• Phân tích bảng số liệu đo kiểm thực nghiệm và đưa ra các nhận xét đánh giá khách quan về hiệu quả hoạt động của hệ thống.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 đúc kết việc hoàn thành toàn bộ các mục tiêu nghiên cứu và thi công sản phẩm thực tế của đồ án; đồng thời đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật như phát triển ứng dụng di động độc lập, mở rộng số kênh điều khiển và tích hợp tính năng tự động hóa theo thời gian và môi trường.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã thiết kế, thi công và thử nghiệm thành công mô hình điều khiển thiết bị điện hoàn chỉnh cả về phần cứng lẫn phần mềm với các kết quả cụ thể:

• Chế tạo thành công bo mạch điều khiển 4 kênh rơ-le cách ly quang, tích hợp vi điều khiển ESP32-DevKitC và cảm biến DHT11, hoạt động an toàn với nguồn điện lưới 220VAC.
• Thiết lập thành công hệ thống truyền thông không dây qua giao thức MQTT sử dụng máy chủ đám mây CloudMQTT, đảm bảo truyền nhận dữ liệu điều khiển và phản hồi trạng thái với độ trễ thấp.
• Xây dựng thành công hai giao diện người dùng độc lập: giao diện Web Server trên nền tảng Node-RED và ứng dụng di động trên nền tảng Android (MQTT Dashboard). Cả hai giao diện đều thực hiện đầy đủ các chức năng: bật/tắt thiết bị, giám sát trạng thái thiết bị theo thời gian thực và theo dõi các chỉ số nhiệt độ, độ ẩm môi trường của bộ điều khiển.
• Đảm bảo tính đồng bộ hai chiều: khi trạng thái thiết bị thay đổi từ giao diện Web hoặc ứng dụng di động, trạng thái trên nền tảng còn lại và trên mạch phần cứng đều được cập nhật tức thời.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc ứng dụng thành công các công nghệ IoT hiện đại, mã nguồn mở và chi phí thấp (ESP32, Node-RED, MQTT, Android) vào việc giải quyết bài toán quản lý điện năng trong giảng đường, mang lại một mô hình thực nghiệm trực quan có tính ứng dụng thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

• Mỗi module phần cứng hiện tại mới chỉ đáp ứng điều khiển được 4 ngõ ra thiết bị điện 220VAC.
• Hệ thống hoạt động phụ thuộc hoàn toàn vào kết nối mạng Wifi và Internet; khi mất tín hiệu mạng, việc điều khiển từ xa qua giao diện Web và ứng dụng di động không thể thực hiện được.
• Ứng dụng di động mới chỉ dừng lại ở việc cấu hình giao diện thông qua ứng dụng trung gian MQTT Dashboard chứ chưa được lập trình thành một phần mềm Android độc lập (native app).

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

• Mở rộng số lượng ngõ ra điều khiển công suất trên bo mạch để đáp ứng nhu cầu quản lý toàn bộ hệ thống thiết bị điện lớn hơn trong phòng học hoặc tòa nhà.
• Tự lập trình và xây dựng ứng dụng Android chuyên dụng riêng biệt, tích hợp thêm các tính năng nâng cao như quản lý tài khoản người dùng, phân quyền truy cập.
• Bổ sung tính năng hẹn giờ bật/tắt tự động cho từng thiết bị và xây dựng các thuật toán điều khiển tự động thông minh dựa trên dữ liệu thu thập từ các cảm biến môi trường (như cảm biến chuyển động phát hiện người trong phòng học, cảm biến ánh sáng).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, cũng như các ngành Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ Thông tin đang nghiên cứu về các đề tài ứng dụng Internet of Things (IoT).

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

• Thiết kế mạch công suất cách ly quang bảo vệ vi điều khiển đóng cắt tải xoay chiều 220VAC.
• Phương pháp lập trình vi điều khiển ESP32 sử dụng VSCode và PlatformIO IDE kết hợp thư viện MQTT.
• Quy trình kết nối và cấu hình Broker CloudMQTT và xây dựng giao diện điều khiển Web Dashboard trực quan bằng công cụ Node-RED.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển nào được lựa chọn làm khối xử lý trung tâm và thông số cấu hình chính là gì?

Khóa luận sử dụng bo mạch phát triển ESP32-DevKitC tích hợp module ESP-WROOM-32 (lõi chip ESP32-D0WDQ6). Chip trang bị bộ xử lý 32-bit lõi kép Xtensa LX6 với tần số xung nhịp hoạt động từ 80MHz đến 240MHz, bộ nhớ trong gồm 448KB ROM, 520KB SRAM, 16KB RTC SRAM, cùng 4MB bộ nhớ ngoài SPI Flash, hỗ trợ kết nối Wifi chuẩn 802.11 b/g/n và Bluetooth v4.2/BLE.

2. Giao thức truyền thông nào được sử dụng để liên lạc giữa vi điều khiển, máy chủ và thiết bị người dùng?

Hệ thống sử dụng giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) theo mô hình Publish/Subscribe. Máy chủ trung gian đóng vai trò Broker là dịch vụ đám mây CloudMQTT, cho phép ESP32, giao diện Web Node-RED và ứng dụng Android trao đổi thông điệp điều khiển và trạng thái qua các Topic với mức sử dụng băng thông và năng lượng tối ưu.

3. Mạch ngõ ra công suất được thiết kế với các linh kiện nào để bảo vệ vi điều khiển?

Khối ngõ ra công suất sử dụng Opto cách ly quang PC817 để cách ly hoàn toàn mạch điều khiển 3.3V/5VDC với mạch tải công suất, kết hợp Transistor C1815 để kích dẫn cuộn hút của Rơ-le 5VDC (đóng cắt điện áp 220VAC). Ngoài ra, mỗi rơ-le được mắc song song ngược với một Diode 1N4007 để triệt tiêu dòng cảm ứng và xung điện áp ngược phát sinh khi ngắt cuộn dây.

4. Giao diện điều khiển và giám sát trên máy tính và điện thoại được xây dựng bằng công cụ gì?

Giao diện trên máy tính (Web Server) được xây dựng bằng công cụ lập trình trực quan Node-RED (chạy trên môi trường Node.js) và triển khai qua các node chức năng UI kết nối MQTT. Giao diện trên điện thoại thông minh Android được cấu hình thông qua ứng dụng MQTT Dashboard, kết nối trực tiếp đến Broker CloudMQTT.

5. Khả năng điều khiển và cảm biến thực tế của mô hình đạt được những gì?

Mô hình phần cứng thực tế điều khiển độc lập được 4 thiết bị điện sử dụng nguồn 220VAC thông qua 4 kênh rơ-le có đèn LED báo trạng thái; đồng thời thu thập và giám sát trực tiếp các chỉ số nhiệt độ và độ ẩm môi trường của bộ điều khiển thông qua cảm biến DHT11.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện" đã hoàn thành toàn diện các nhiệm vụ nghiên cứu, tính toán phần cứng và lập trình phần mềm điều khiển thiết bị qua Internet. Hệ thống tích hợp thành công vi điều khiển ESP32, giao thức MQTT, máy chủ CloudMQTT, giao diện Web Node-RED và ứng dụng Android thành một thể thống nhất, đảm bảo tính ổn định và đồng bộ dữ liệu thời gian thực. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi của mô hình trong việc nâng cao hiệu quả quản lý năng lượng và ứng dụng công nghệ IoT vào môi trường dân dụng và giảng đường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan Trình bày tổng quan về lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án. • Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Giới thiệu các lý thuyết liên quan, các linh kiện, thiết bị sử dụng và cách thức giao tiếp với nhau. • Chương 3: Thiết Kế Và Tính Toán Thiết kế hệ thống, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý chức năng từng khối và thực hiện tính toán. • Chương 4: Thi Công Hệ Thống Thi công board mạch, thiết kế lưu đồ, giải thuật, chương trình.

Thi công mô hình hoàn chỉnh. • Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét Và Đánh Giá Trình bày những kết quả đạt được sau thời gian thực hiện, một số hình ảnh từ hệ thống. Đồng thời đưa ra nhận xét, đánh giá cho toàn bộ hệ thống. • Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển Đưa ra những kết luận sau khi hoàn thiện sản phẩm, các hướng phát triển nâng cấp hệ thống trong tương lai.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DÂN DỤNG Vấn đề sử dụng các thiết bị điện một cách hiệu quả và an toàn được đặt lên hàng đầu đối với người sử dụng. Không chỉ ở những công trình, tòa nhà, hộ gia đình, mà ngay cả văn phòng làm việc, phòng học thì việc tiết kiệm điện là hết sức cần thiết.

Dưới đây là bảng thống kê cho thấy các thiết bị điện chủ yếu được sử dụng trong một phòng học và công suất của từng thiết bị.1: Thống kê các thiết bị điện trong phòng học và công suất tiêu thụ STT Tên thiết bị điện Công suất tiêu thụ P(W) 1 Đèn tuýp LED 1m2 36 2 TV LCD 32 inches 70 3 Điều hòa 2HP 1500 4 Loa 60 5 Quạt trần 75 Từ bảng trên, ta thấy mức độ tiêu thụ điện năng của từng thiết bị được sử dụng. Nếu không sử dụng một cách phù hợp thì không chỉ gây lãng phí điện năng mà còn làm giảm tuổi thọ của thiết bị. Với số lượng lớn phòng học ở các trường Đại học thì mức độ thiệt hại này càng lớn. Do đó, chúng ta cần có một hệ thống điều khiển thông minh và giám sát chặt chẽ các thiết bị điện nhằm góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng, tiết kiệm điện năng.

Và đề tài này sẽ giải quyết vấn đề đó. TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS 2. Giới thiệu Ngày nay, nhu cầu phát triển các ứng dụng liên quan đến Internet ngày càng cao. Và IoT (Internet of things) là một công nghệ quan trọng bởi chúng ta có thể tạo ra nhiều ứng dụng đa dạng phục vụ đa số mọi lĩnh vực trong đời sống từ nó.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Về cơ bản, IoT là một hệ thống mạng lưới mà trong đó tất cả các thiết bị, đối tượng được kết nối Internet thông qua thiết bị mạng (network devices) hoặc các bộ định tuyến (routers). IoT cho phép các đối tượng được điều khiển từ xa dựa trên hệ thống mạng hiện tại. Công nghệ tiên tiến này giúp giảm công sức vận hành của con người bằng cách tự động hóa việc điều khiển các thiết bị.

Internet of things Các thành phần chính trong một hệ thống IoT: • Thiết bị Mỗi thiết bị sẽ bao gồm một hoặc nhiều cảm biến để phát hiện các thông số của ứng dụng và gửi chúng đến Platform. • IoT – Platform Nền tảng này là một phần mềm được lưu trữ trực tuyến còn được gọi là điện toán đám mây, các thiết bị được kết nối với nhau thông qua nó. Nền tảng này thu thập dữ liệu từ thiết bị, toàn bộ dữ liệu được phân tích, xử lý, phát hiện nếu có lỗi phát sinh trong quá trình hệ thống vận hành. • Kết nối Internet Để giao tiếp được trong IoT, kết nối Internet của các thiết bị là một điều bắt buộc.

Wifi là một trong những phương thức kết nối Internet phổ biến. • Ứng dụng Ứng dụng là giao diện để người dùng điều khiển. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2. Lịch sử hình thành Khái niệm về một mạng lưới thiết bị được kết nối với nhau đã được thảo luận vào đầu năm 1982, với một máy bán hàng tự động Coke được thực hiện ở Đại học Carnegie Mellon trở thành thiết bị kết nối Internet đầu tiên trên thế giới.

Thuật ngữ “Internet of things” được sử dụng lần đầu tiên bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Sau đó IoT trải qua nhiều giai đoạn và có bước phát triển nhảy vọt cho đến ngày nay. Ứng dụng của IoT Hình 2. Ứng dụng của IoT • Nhà thông minh (Smart Home) Đây là một trong những ứng dụng được quan tâm nhiều nhất trong những năm gần đây.

Một ngôi nhà thông minh hoàn toàn có thể được giám sát và điều khiển tự động. Bạn có thể bật tắt đèn bằng một ứng dụng trên điện thoại, nếu lỡ quên tắt tivi khi ra khỏi nhà bạn hoàn toàn có thể tắt nó ở một nơi có kết nối Internet, hoặc điều hòa sẽ tự động điều chỉnh tăng hay giảm khi nhiệt độ bên ngoài thay đổi. Và còn vô số ứng dụng khác nhằm mang lại sự tiện lợi nhất cho người dùng. Hiện nay các chủ đầu tư xây dựng chung cư cũng đã tiếp cận với công nghệ này do nhu cầu sở hữu căn hộ thông minh của người dùng ngày càng cao.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Smart Home • Giao thông vận tải An toàn là điều đầu tiên khi nghĩ đến tác động của IoT đối với giao thông vận tải. Ý tưởng đưa ra là các phương tiện có khả năng liên lạc với nhau bằng cách sử dụng dữ liệu đã được phân tích để có thể giảm đáng kể các sự cố tai nạn xảy ra khi tham gia giao thông.

Sử dụng cảm biến, các phương tiện như ô tô, xe buýt được cảnh báo nguy cơ tiềm ẩn trên đường, hoặc thậm chí là tình trạng ùn tắt giao thông ở một số tuyến đường. Dịch vụ vận chuyển hàng hóa cũng được ứng dụng từ công nghệ này. Công nghệ quản lý lịch trình vận chuyển, tối ưu hóa các tuyến giao hàng, mức tiêu thụ nhiên liệu của phương tiện, giám sát tốc độ của tài xế giao hàng tuân thủ quy định an toàn nhằm mang lại những lợi ích về kinh tế và sự hài lòng của khách hàng. IoT trong giao thông vận tải BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Chăm sóc sức khỏe Một thiết bị có thể cảnh báo tình trạng và theo dõi sức khỏe là một trong những ứng dụng trong lĩnh vực y tế. Miếng dãn theo dõi sức khỏe cho bệnh nhân: bạn không cần đến bác sĩ, những thông số về nhịp tim, huyết áp, đều được thu thập từ xa được phân tích sau đó chuẩn đoán để đưa ra tình trạng sức khỏe hiện tại của bệnh nhân và có thể dự đoán nguy cơ mắc bệnh nhằm có biện pháp phòng ngừa kịp thời. IoT trong y tế • Nông nghiệp (Smart Farming) Mô hình nhà kín là một trong những ứng dụng điển hình của công nghệ IoT được áp dụng trong lĩnh vực nông nghiệp. Và ở nước ta đã được áp dụng rộng rãi.

Bên trong hệ thống này cây trồng hoàn toàn cách ly với điều kiện thời tiết bên ngoài, việc điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng đều tự động hóa. Đồng thời theo dõi được tình trạng phát triển của cây trồng, xác định thời gian thu hoạch, giảm thiểu tối đa công suất người lao động. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.

IoT trong nông nghiệp • Thành phố thông minh (Smart City) Có thể xem đây là tập hợp của tất cả ứng dụng của IoT vào một hệ thống lớn. Một giải pháp đã và đang được nhiều quốc gia trên thế giới áp dụng ở các thành phố lớn nhằm giải quyết những vấn đề cấp bách như tình trạng kẹt xe, gia tăng dân số, ô nhiễm môi trường, ngập lụt, … Mọi thứ trong thành phố thông minh này được kết nối, dữ liệu sẽ được giám sát bởi một loạt các máy tính mà không cần bất kỳ sự tương tác nào của con người. Smart City BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 do an CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ WIFI 2.

Giới thiệu Wifi là một mạng thay thế cho mạng có dây thông thường, thường được sử dụng để kết nối các thiết bị ở chế độ không dây bằng việc sử dụng công nghệ sóng vô tuyến. Dữ liệu được truyền qua sóng vô tuyến cho phép các thiết bị truyền nhận dữ liệu ở tốc độ cao trong phạm vi của mạng Wifi. Kết nối các máy tính với nhau, với Internet và với mạng có dây. Wifi (Wireless Fidelity) là thuật ngữ dùng chung để chỉ tiêu chuẩn IEEE802.11 cho mạng cục bộ không dây (Wireless Local Networks) hoặc WLANs.

Việc sử dụng rộng rãi và tính sẵn có của nó ở nhà và nơi công cộng như công viên, quán café, sân bay, … đã khiến Wifi trở thành một trong những công nghệ truyền nhận dữ liệu phổ biến nhất hiện nay. Biểu tượng Wifi 2. Công nghệ truyền nhận dữ liệu • IEEE 802. Sóng vô tuyến với tần số 2.

Phổ biến nhất, ít có khả năng mở rộng. Ảnh hưởng của các thiết bị Bluetooth và điện thoại di động có thể làm giảm tốc độ truyền. Sóng vô tuyến với tần số 5. Có khả năng mở rộng.

Không tương thích với chuẩn 802. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • IEEE 802. Sóng vô tuyến với tần số 2.

Kết hợp tính năng của hai tiêu chuẩn a và b. Tương thích với chuẩn 802. Thành phần của mạng Wifi • Access Point (AP) AP là bộ thu phát không dây LAN (Local – Area Network), hoặc là trạm cơ sở có thể kết nối đồng thời một hoặc nhiều thiết bị không dây với Internet. • Wifi Card Cho phép chấp nhận tín hiệu không dây và thông tin chuyển tiếp.

• Safeguards Khả năng bảo vệ: tường lửa và phần mềm chống virus giúp giữ an toàn thông tin cho người dùng. Cấu trúc liên kết • Peer to peer Là cấu trúc liên kết ngang hàng, không bắt buộc AP, các thiết bị bên trong có thể giao tiếp trực tiếp với nhau. Phù hợp để thiết lập mạng không dây một cách nhanh chóng và dễ dàng. Cấu trúc liên kết ngang hàng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11 do an CHƯƠNG 2.