Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của công nghệ thông tin, tự động hóa và Internet vạn vật (IoT), việc quản lý và giám sát thiết bị từ xa qua điện thoại thông minh ngày càng được ứng dụng phổ biến vào đời sống và kinh doanh dịch vụ. Tại các cơ sở lưu trú như khách sạn, việc nắm bắt tình trạng khách ra vào phòng và tình trạng hoạt động của trang thiết bị điện đóng vai trò quan trọng trong công tác quản lý vận hành, tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả phục vụ. Xuất phát từ bối cảnh thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế và thi công mô hình hệ thống kiểm soát thiết bị tiêu thụ điện trong phòng" được thực hiện bởi nhóm tác giả ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Đề tài xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

  1. Thiết kế và thi công mô hình hệ thống cho phép người dùng giám sát, kiểm tra từ xa qua Internet hoặc mạng dữ liệu di động (3G/4G) trạng thái hoạt động của các thiết bị điện trong phòng thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android.
  2. Xây dựng kênh truyền thông thu thập dữ liệu và cập nhật liên tục thông tin trạng thái tiêu thụ điện lên nền tảng máy chủ đám mây ThingSpeak thông qua giao thức truyền thông HTTP.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  • Vi điều khiển dòng PIC của hãng Microchip: PIC 18F4550 và PIC 16F886.
  • Module truyền thông không dây tầm xa RF LoRa E32-TTL-500 (sử dụng chip Semtech SX1278).
  • Module truyền thông không dây WiFi ESP8266 V1.
  • Cảm biến dòng điện biến dòng CT103U (5A/2.5mA).
  • Màn hình hiển thị tinh thể lỏng LCD 16x2 và LCD 20x4.
  • Nền tảng điện toán đám mây và máy chủ ThingSpeak.
  • Ứng dụng giám sát trên thiết bị di động nền tảng Android.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn ở các nội dung:

  • Phạm vi kỹ thuật và công nghệ: Tập trung vào kỹ thuật lập trình nhúng cho vi điều khiển PIC bằng ngôn ngữ C trên trình biên dịch CCS C Compiler; kỹ thuật lập trình ứng dụng Android bằng ngôn ngữ Java và XML trên môi trường Android Studio; kỹ thuật ghép nối phần cứng và giao tiếp truyền dữ liệu UART giữa vi điều khiển với module LoRa, module WiFi ESP8266 V1; xử lý tín hiệu tương tự sang số (ADC) thu thập từ cảm biến dòng CT103U; tích hợp bộ chuyển đổi nguồn hạ áp LM2576 từ 12VDC xuống 5VDC.
  • Phạm vi thực nghiệm và không gian: Thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm mô phỏng quy mô 4 tầng/phòng độc lập, kết nối về một trạm thu trung tâm trước khi đẩy dữ liệu lên máy chủ Internet.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền thông không dây và hệ thống nhúng trong kiến trúc Internet vạn vật (IoT):

  1. Khung kiến trúc IoT: Đồ án áp dụng mô hình kiến trúc IoT 4 tầng cơ bản:

    • Tầng thiết bị thu thập (Things): Bao gồm các cảm biến biến dòng CT103U gắn tại tải tiêu thụ và vi điều khiển PIC 16F886 tại từng phòng để lấy mẫu tín hiệu dòng điện.
    • Tầng trạm kết nối (Gateway): Khối điều khiển trung tâm sử dụng PIC 18F4550 tiếp nhận dữ liệu không dây qua sóng vô tuyến LoRa từ các phòng và chuyển tiếp dữ liệu qua WiFi.
    • Tầng hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud): Sử dụng module WiFi ESP8266 V1 kết nối mạng Internet qua Access Point, chuyển tiếp gói tin đến máy chủ ThingSpeak qua giao thức HTTP REST API.
    • Tầng dịch vụ và ứng dụng (Application Layer): Ứng dụng di động Android truy vấn dữ liệu từ API của ThingSpeak để hiển thị trạng thái phòng cho người quản trị.

  2. Công nghệ truyền thông không dây:

    • Công nghệ LoRa (Long Range Radio): Hoạt động dựa trên kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS), cho phép truyền dữ liệu khoảng cách xa với công suất tiêu thụ thấp. Đồ án sử dụng dải tần 433 MHz phù hợp với quy chuẩn thiết bị vô tuyến công suất thấp.
    • Chuẩn mạng WiFi: Tuân thủ chuẩn kết nối không dây IEEE 802.11 b/g/n băng tần 2.4 GHz, hỗ trợ các chế độ bảo mật WPA/WPA2 và giao thức TCP/IP stack tích hợp sẵn trên chip SoC ESP8266.
    • Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Dùng để truyền nhận dữ liệu bất đồng bộ giữa vi điều khiển PIC với module LoRa E32-TTL-500 và module ESP8266 V1 qua hai đường tín hiệu Tx/Rx với các mức tốc độ baud chuẩn từ 9600 bps đến 115200 bps.

  3. Nguyên lý cảm biến dòng điện (Current Transformer - CT):

    • Cảm biến CT103U hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi dòng điện xoay chiều lớn ở cuộn sơ cấp thành dòng điện nhỏ tỷ lệ ở cuộn thứ cấp theo hệ số biến dòng $2000:1$ ($5\text{A}/2.5\text{mA}$). Tín hiệu dòng thứ cấp được chuyển đổi thành điện áp rơi trên điện trở tải và đưa vào bộ biến đổi ADC nội của vi điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được nhóm tác giả triển khai bao gồm:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Thu thập, phân tích tài liệu kỹ thuật (datasheet) của các linh kiện vi điều khiển PIC 18F4550, PIC 16F886, cảm biến CT103U, module LoRa SX1278, IC nguồn LM2576 và tập lệnh AT Command của ESP8266.
  • Phương pháp thiết kế và mô phỏng mạch điện: Tính toán các thông số linh kiện, thiết kế sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch in (PCB) hai lớp cho khối thu và khối phát.
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm chuẩn: Lắp ráp mô hình thực tế, lập trình nhúng vi điều khiển và ứng dụng di động; thực hiện đo kiểm thực nghiệm giá trị dòng điện bằng cảm biến so sánh trực tiếp với đồng hồ đo dòng ampe kìm chuyên dụng.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu là các chuỗi giá trị dòng điện tiêu thụ đo đạc trực tiếp từ các thiết bị điện trong mô hình 4 phòng, dữ liệu khung truyền UART giữa các vi điều khiển và dữ liệu trường (fields) lưu trữ trên các kênh (Channels) của dịch vụ ThingSpeak.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc mạng phân tán Master - Slave, phân tách rõ ràng giữa các trạm đo lường tại phòng (Sensor Nodes - Slave) và khối xử lý trung tâm (Master Gateway).

Khối chức năng Linh kiện / Công nghệ chính Thông số kỹ thuật / Đặc tính cốt lõi Vai trò trong hệ thống
Khối đo lường Node phòng (Slave) Vi điều khiển PIC 16F886 28 chân, Flash 5 KB, RAM 368 B, EEPROM 256 B, 11 kênh ADC 10-bit, tần số hoạt động lên đến 20 MHz Đọc tín hiệu điện áp từ cảm biến dòng, chuyển đổi ADC, đóng gói dữ liệu phòng
Khối cảm biến dòng Biến dòng CT103U Tỷ lệ biến dòng $2000:1$ ($5\text{A}/2.5\text{mA}$), dải tuyến tính 0–24A ($100\Omega$), sai số pha $<30'$, sai số tuyến tính $\le 0.2%$ Cảm ứng dòng tải xoay chiều của thiết bị trong phòng, kết hợp tụ lọc làm phẳng sóng
Khối truyền thông nội bộ Module LoRa E32-TTL-500 Chip Semtech SX1278, tần số 433 MHz, công suất phát tối đa 27 dBm ($500\text{ mW}$), độ nhạy thu $-130\text{ dBm}$, đệm $512\text{ bytes}$ Truyền dữ liệu không dây tầm xa từ các Slave Node về Master Gateway
Khối xử lý trung tâm (Master) Vi điều khiển PIC 18F4550 40 chân DIP, Flash 32 KB, RAM 2 KB, EEPROM 1 KB, hỗ trợ EUSART, thạch anh 16 MHz Thu thập dữ liệu từ các Node LoRa, điều khiển module WiFi và hiển thị màn hình LCD
Khối truyền thông Internet Module WiFi ESP8266 V1 Chuẩn $802.11\text{ b/g/n}$, SoC tích hợp TCP/IP, điện áp 3.3V, giao tiếp UART qua tập lệnh AT Command Kết nối mạng WiFi gia dụng/khách sạn, đẩy dữ liệu lên đám mây ThingSpeak
Khối nguồn cấp IC hạ áp xung LM2576 Điện áp ngõ vào 12VDC, điện áp ngõ ra ổn định 5VDC, dòng định mức tối đa 3A Cấp nguồn nuôi cho mạch vi điều khiển, module LoRa, LCD và mạch phụ trợ
Khối hiển thị tại chỗ LCD 16x2 và LCD 20x4 Giao tiếp 4-bit hoặc 8-bit với vi điều khiển Hiển thị trạng thái kết nối mạng, địa chỉ IP và trạng thái tải của các phòng tại tủ điều khiển
Nền tảng Cloud & Di động ThingSpeak & Android App Giao thức HTTP REST API; Ứng dụng lập trình bằng Java/XML trên Android Studio Lưu trữ cơ sở dữ liệu thời gian thực và cung cấp giao diện giám sát cho người quản lý

Quy trình thiết kế và xử lý tín hiệu

  1. Xử lý tín hiệu cảm biến dòng: Dòng điện xoay chiều chạy qua dây nguồn thiết bị được cảm biến CT103U hạ tỷ lệ 2000 lần. Để xử lý dạng sóng của tải phi tuyến (như bộ nguồn xung, bóng đèn compact), ngõ ra của cảm biến được lắp thêm mạch lọc tích hợp tụ điện nhằm ổn định điện áp trước khi đưa vào chân ADC của vi điều khiển PIC 16F886. Vi điều khiển thực hiện lấy mẫu, tính toán giá trị dòng hiệu dụng và xác định trạng thái phòng đang có thiết bị hoạt động hay không.
  2. Giao tiếp không dây LoRa: Module E32-TTL-500 được cấu hình ở Chế độ 0 (Mode 0: $M0=0, M1=0$) để hoạt động ở trạng thái truyền nhận dữ liệu trong suốt (transparent transmission). Dữ liệu trạng thái phòng từ PIC 16F886 được gửi qua cổng UART sang module LoRa phát đến Master.
  3. Truyền dữ liệu lên Cloud qua ESP8266 V1: Vi điều khiển PIC 18F4550 điều khiển ESP8266 V1 bằng chuỗi tập lệnh AT:
    • AT+CWJAP: Thiết lập kết nối module tới điểm truy cập WiFi mạng nội bộ.
    • AT+CIPSTART: Thiết lập kết nối TCP/IP tới máy chủ ThingSpeak qua cổng kết nối mạng.
    • AT+CIPMUX=0: Cấu hình chế độ kết nối đơn kênh.
    • AT+CIPSEND: Gửi chuỗi dữ liệu chứa API Key và giá trị các trường dữ liệu cập nhật trạng thái phòng.
    • AT+CIPCLOSE: Đóng phiên truyền dữ liệu TCP.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu tính cấp thiết của đề tài trong xu hướng phát triển của công nghệ IoT và nhu cầu hiện đại hóa công tác quản lý dịch vụ phòng tại các khách sạn. Tác giả xác định mục tiêu xây dựng một hệ thống kiểm soát thiết bị tiêu thụ điện từ xa trên điện thoại Android, lưu trữ đám mây qua ThingSpeak; giới hạn đề tài ở việc ứng dụng các vi điều khiển PIC 18F4550, PIC 16F886, cảm biến CT103U, sóng LoRa 433 MHz và WiFi ESP8266 V1; đưa ra phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa khảo sát thị trường, thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm và kiểm nghiệm mô hình thực tế.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết nền tảng lý thuyết và thông số kỹ thuật của các công nghệ, linh kiện sử dụng trong đề tài:

  • Khái niệm, kiến trúc 4 tầng, đặc tính và thách thức của mạng IoT.
  • Lý thuyết công nghệ truyền thông không dây LoRa, cơ chế điều chế Chirp Spread Spectrum, kiến trúc mạng LoRaWAN, các dải tần hoạt động (433 MHz, 868 MHz, 915 MHz) và ưu nhược điểm của công nghệ LoRa.
  • Nguyên lý truyền thông WiFi chuẩn IEEE 802.11 b/g/n, cấu tạo và sơ đồ chân của module SoC WiFi ESP8266 V1 cùng các lệnh điều khiển AT cơ bản.
  • Cấu trúc và nguyên lý khung truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ UART (Start bit, Data bits, Parity bit, Stop bit, tốc độ baud).
  • Cấu trúc kiến trúc vi xử lý, vi điều khiển; phân tích thông số kỹ thuật và sơ đồ chân của hai dòng vi điều khiển Microchip: PIC 18F4550 (40 chân DIP, Flash 32 KB) và PIC 16F886 (28 chân, Flash 5 KB, 11 kênh ADC).
  • Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến dòng CT (Current Transformer), chi tiết thông số cảm biến CT103U 5A/2.5mA.
  • Module thu phát vô tuyến LoRa E32-TTL-500 (chip SX1278 công suất phát 500 mW, 4 chế độ hoạt động điều khiển bằng chân M0, M1).
  • Màn hình LCD 16x2, LCD 20x4; cấu tạo vi mạch nguồn hạ áp xung LM2576; phương thức tạo Channel và quản lý khóa API trên hệ thống đám mây ThingSpeak; tổng quan ngôn ngữ lập trình C (CCS Compiler) và Java, XML trên Android Studio.

Chương 3: Tính toán thiết kế

Chương 3 trình bày quá trình tính toán và thiết kế kỹ thuật toàn diện cho hệ thống:

  • Xây dựng sơ đồ khối tổng quát và sơ đồ chức năng của hệ thống gồm khối nguồn, khối đo dòng, khối xử lý cục bộ tại các phòng, khối truyền thông LoRa nội bộ, khối xử lý trung tâm, khối kết nối WiFi và khối hiển thị.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý chi tiết cho khối xử lý trung tâm sử dụng PIC 18F4550 giao tiếp module ESP8266 V1, mạch LoRa E32-TTL-500 và màn hình LCD.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý các khối xử lý tại phòng sử dụng PIC 16F886, kết nối cảm biến CT103U qua mạch lọc tín hiệu chống méo dạng sóng đối với tải phi tuyến.
  • Tính toán điện năng và dòng tiêu thụ trên bo mạch điều khiển PIC 16 và PIC 18, từ đó tính toán thông số mạch nguồn hạ áp LM2576 từ 12VDC xuống 5VDC đảm bảo công suất cấp cho vi điều khiển và các module vô tuyến khi phát công suất cực đại.
  • Thiết kế hoàn chỉnh sơ đồ nguyên lý mạch gửi (tại phòng) và mạch nhận (tại trạm trung tâm).

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa thiết kế từ bản vẽ sang mô hình vật lý:

  • Thi công mạch in PCB hai lớp: Thiết kế layout bo mạch gửi và bo mạch nhận, tiến hành gia công mạch in và hàn lắp linh kiện hoàn chỉnh theo danh mục linh kiện (gồm 4 bo mạch gửi cho 4 phòng và 1 bo mạch nhận trung tâm).
  • Thi công sa bàn mô hình hệ thống kiểm soát gồm 4 phòng mô phỏng với các thiết bị tiêu thụ điện và đèn báo trạng thái.
  • Lập trình hệ thống: Xây dựng lưu đồ giải thuật chương trình chính cho vi điều khiển trung tâm PIC 18F4550; các lưu đồ chương trình con khởi tạo hệ thống, nhận dữ liệu qua LoRa và gửi dữ liệu qua module WiFi; lập trình giải thuật lấy mẫu tín hiệu ADC và truyền dữ liệu cho các vi điều khiển PIC 16F886 tại tầng 1, tầng 2, tầng 3 và tầng 4.
  • Lập trình ứng dụng Android trên Android Studio: Xây dựng giao diện đồ họa, viết mã nguồn Java xử lý kết nối Internet, truy vấn dữ liệu từ API của máy chủ ThingSpeak và hiển thị trạng thái bật/tắt thiết bị từng phòng.
  • Xây dựng tài liệu hướng dẫn lắp đặt, vận hành và xử lý sự cố cho người sử dụng hệ thống.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 ghi nhận các kết quả thực nghiệm đạt được trên mô hình hoàn thiện:

  • Thực nghiệm cấp nguồn và thiết lập kết nối mạng WiFi cho bo mạch điều khiển trung tâm PIC 18F4550; kiểm tra thông báo trạng thái kết nối lên màn hình LCD.
  • Thực nghiệm kết nối cảm biến dòng CT103U vào các kênh ADC của bo mạch điều khiển PIC 16F886 tại tầng 1; thực hiện đo dòng điện chạy qua các thiết bị tiêu thụ và đối chiếu với số liệu đo được từ đồng hồ ampe kìm chuẩn để đánh giá sai số.
  • Thực nghiệm kiểm tra đường truyền tín hiệu không dây giữa Master (PIC 18F4550) và các Slave (PIC 16F886) thông qua mạng LoRa E32-TTL-500; kiểm tra độ tin cậy của khung truyền dữ liệu.
  • Thực nghiệm đăng nhập ứng dụng trên điện thoại thông minh Android, kiểm tra khả năng đồng bộ dữ liệu với ThingSpeak và hiển thị trạng thái phòng theo thời gian thực.
  • Đưa ra các nhận xét, đánh giá khách quan về độ ổn định, độ trễ và khả năng đáp ứng của hệ thống.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ các mục tiêu nghiên cứu đã hoàn thành trong quá trình thiết kế, thi công phần cứng và phần mềm. Đồng thời, chương chỉ rõ những mặt hạn chế còn tồn tại của hệ thống mô hình và đề xuất các giải pháp nâng cấp, mở rộng tính năng cho các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm cụ thể

  • Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng bao gồm 01 bo mạch thu trung tâm (sử dụng PIC 18F4550) và 04 bo mạch phát đo lường (sử dụng PIC 16F886) cùng mô hình sa bàn 4 phòng hoạt động ổn định.
  • Tích hợp thành công cảm biến dòng điện CT103U với tỷ lệ biến dòng $2000:1$, dải đo tuyến tính từ $0\text{ đến }24\text{A}$ ($100\Omega$), sai số góc pha $<30'$, sai số tuyến tính $\le 0.2%$, chuyển đổi chính xác tín hiệu dòng điện tải xoay chiều sang tín hiệu điện áp đưa vào bộ chuyển đổi ADC 10-bit của PIC 16F886. Kết quả đo dòng thực tế từ cảm biến phản ánh khớp với chỉ số hiển thị trên đồng hồ đo ampe kìm.
  • Thiết lập đường truyền vô tuyến nội bộ sử dụng module LoRa E32-TTL-500 công suất $27\text{ dBm}$ ($500\text{ mW}$) băng tần $433\text{ MHz}$, độ nhạy thu $-130\text{ dBm}$ tại tốc độ $0.3\text{ Kbps}$, truyền nhận dữ liệu thông suốt giữa các phòng và bộ trung tâm với kích thước gói tin $58\text{ bytes}$ (bộ đệm $512\text{ bytes}$).
  • Điều khiển thành công module WiFi ESP8266 V1 qua giao diện nối tiếp UART ở tốc độ baud $115200\text{ bps}$ bằng tập lệnh AT, thực hiện kết nối mạng WiFi chuẩn $802.11\text{ b/g/n}$ và đẩy dữ liệu lên máy chủ ThingSpeak ổn định.
  • Xây dựng ứng dụng di động trên nền tảng Android bằng ngôn ngữ Java/XML, cho phép người dùng giám sát trạng thái có tải hoặc không tải của 4 phòng trực quan qua giao diện đồ họa khi điện thoại có kết nối Internet hoặc 3G/4G.

Giải pháp kỹ thuật được đề xuất

  • Đề xuất giải pháp bổ sung mạch lọc tích hợp tụ điện ở ngõ ra tín hiệu của cảm biến dòng CT103U nhằm làm phẳng dạng sóng điện áp, khắc phục hiện tượng méo tín hiệu và sai lệch giá trị hiệu dụng khi tải điện trong phòng là các tải phi tuyến tính.
  • Xây dựng giải pháp truyền thông lai (hybrid): Kết hợp mạng diện rộng công suất thấp LoRa cho liên kết nội bộ trong tòa nhà (khắc phục điểm yếu vật cản tường bê tông và tiết kiệm năng lượng) với liên kết WiFi/Cloud để giám sát toàn cầu qua Internet.

Đóng góp của đề tài

So với các nghiên cứu và sản phẩm trên thị trường, đề tài đóng góp một giải pháp giám sát sự hiện diện và hoạt động của khách trong phòng khách sạn một cách gián tiếp thông qua mức độ tiêu thụ điện năng. Phương pháp này đảm bảo tính riêng tư tuyệt đối cho khách lưu trú (không cần sử dụng camera giám sát hay cảm biến chuyển động nhạy cảm), đồng thời cung cấp dữ liệu phục vụ quản lý năng lượng và hỗ trợ vận hành dịch vụ lưu trú tự động hóa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của hệ thống

  • Mạng truyền thông LoRa trong hệ thống mới dừng lại ở kết nối điểm - đa điểm sử dụng module RF UART E32-TTL-500 thông thường, chưa triển khai giao thức mạng LoRaWAN chuẩn hóa với Gateway đa kênh và Network Server chuyên dụng.
  • Tần suất cập nhật dữ liệu từ trạm trung tâm lên đám mây ThingSpeak chịu sự ràng buộc bởi giới hạn thời gian gửi gói tin của tài khoản miễn phí trên máy chủ ThingSpeak (khoảng cách giữa các lần gửi tối thiểu 15 giây), dẫn đến độ trễ nhất định trong việc cập nhật tức thời trạng thái phòng.
  • Module WiFi ESP8266 V1 có số lượng chân GPIO giới hạn và bộ nhớ hạn chế, chỉ đảm nhiệm vai trò cầu nối truyền nhận lệnh AT nối tiếp mà chưa tận dụng hết năng lực xử lý độc lập của chip SoC.
  • Hệ thống mới dừng lại ở chức năng giám sát trạng thái có dòng tiêu thụ điện (bật/tắt), chưa tích hợp thuật toán tính toán tổng điện năng tiêu thụ chi tiết (kWh) cũng như chưa có chức năng điều khiển đóng cắt tải từ xa qua relay.
  • Mô hình thử nghiệm ở quy mô sa bàn 4 tầng/phòng, chưa được kiểm thử trong điều kiện thực tế của một tòa nhà khách sạn lớn với mật độ vật cản kết cấu bê tông cốt thép dày đặc và can nhiễu điện từ trường phức tạp.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp mạng vô tuyến cục bộ lên chuẩn giao thức LoRaWAN hoàn chỉnh, tích hợp Gateway chuyên dụng để có thể quản lý đồng thời hàng trăm phòng trong một tòa nhà nhiều tầng.
  • Tích hợp thêm tính năng đo lường các thông số điện năng chuyên sâu bao gồm điện áp, hệ số công suất $\cos\varphi$, công suất thực và tính toán điện năng tiêu thụ theo thời gian thực.
  • Bổ sung cơ cấu chấp hành (relay ngắt nguồn công suất lớn) cho phép người quản lý có thể can thiệp điều khiển đóng/cắt điện từ xa qua ứng dụng Android khi phát hiện sự cố rò rỉ điện hoặc phòng không có người mà thiết bị vẫn bật.
  • Xây dựng máy chủ dữ liệu riêng (sử dụng nền tảng NodeJS kết hợp cơ sở dữ liệu thời gian thực) thay thế cho dịch vụ ThingSpeak công cộng nhằm giảm thiểu độ trễ truyền dữ liệu xuống mức dưới một giây và tăng cường tính bảo mật.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng người đọc sau:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Công nghệ Thông tin (chuyên ngành IoT): Tài liệu cung cấp hướng dẫn thực tế từ lý thuyết thiết kế mạch đến thi công phần cứng hoàn chỉnh, lập trình ghép nối vi điều khiển PIC với các ngoại vi vô tuyến hiện đại.
  • Người thực hiện các đề tài nghiên cứu về hệ thống giám sát năng lượng, nhà thông minh (Smart Home) hoặc nông nghiệp thông minh: Có thể tham khảo phương pháp kết hợp truyền thông khoảng cách xa bằng sóng LoRa và đưa dữ liệu lên Internet qua WiFi.

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

  • Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng sử dụng cảm biến biến dòng CT103U cùng giải pháp mạch lọc tụ điện xử lý tín hiệu tải phi tuyến.
  • Phương pháp cấu hình và lập trình giao tiếp vi điều khiển PIC 16F886 và PIC 18F4550 với module LoRa E32-TTL-500 qua chuẩn UART.
  • Quy trình truyền dữ liệu từ vi điều khiển lên máy chủ đám mây ThingSpeak thông qua module ESP8266 V1 sử dụng tập lệnh AT Command.
  • Cấu trúc chương trình và lưu đồ thuật toán phân chia vai trò Master - Slave trong mạng thu thập dữ liệu cảm biến.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng những loại vi điều khiển nào và phân chia nhiệm vụ ra sao?

Hệ thống sử dụng hai dòng vi điều khiển thuộc họ PIC của Microchip:

  • PIC 16F886 (vi điều khiển 8-bit, 28 chân): Được bố trí tại các khối Node cảm biến ở từng phòng (từ tầng 1 đến tầng 4), đóng vai trò là các trạm Slave. Vi điều khiển này sử dụng bộ biến đổi ADC 10-bit để đọc tín hiệu điện áp từ cảm biến dòng CT103U, xử lý dữ liệu và gửi thông tin qua module LoRa E32-TTL-500.
  • PIC 18F4550 (vi điều khiển 8-bit, 40 chân DIP, hỗ trợ EUSART): Được bố trí tại trạm thu thập trung tâm, đóng vai trò là trạm Master. Vi điều khiển này tiếp nhận dữ liệu không dây LoRa từ các phòng, điều khiển màn hình hiển thị LCD và điều khiển module WiFi ESP8266 V1 gửi dữ liệu lên máy chủ ThingSpeak.

2. Module LoRa E32-TTL-500 hoạt động ở dải tần và thông số kỹ thuật nào trong hệ thống?

Module LoRa E32-TTL-500 tích hợp chip Semtech SX1278, hoạt động trong dải tần số 410–441 MHz (tần số mặc định 433.0 MHz với 32 kênh truyền thông). Module có công suất phát tối đa $27\text{ dBm}$ ($500\text{ mW}$), độ nhạy thu $-130\text{ dBm}$ tại tốc độ $0.3\text{ Kbps}$, khoảng cách truyền thông trên lý thuyết đạt khoảng $5000\text{ m}$ ở môi trường thoáng mở. Trong hệ thống, module được giao tiếp qua cổng UART ở mức logic TTL và cấu hình hoạt động ở Chế độ 0 (Mode 0: chân $M0=0, M1=0$) để truyền dữ liệu trong suốt.

3. Cảm biến dòng CT103U có thông số kỹ thuật ra sao và hệ thống giải quyết vấn đề nhiễu dạng sóng như thế nào?

Cảm biến biến dòng CT103U có dòng định mức sơ cấp 5A, dòng ngõ ra thứ cấp 2.5mA (tỷ lệ biến dòng $2000:1$), dải đo tuyến tính $0\sim 24\text{A}$ với tải $100\Omega$, sai số góc pha $<30'$, điện áp cách ly $4500\text{V}$ và sai số tuyến tính $\le 0.2%$. Để giải quyết hiện tượng méo dạng sóng điện áp ngõ ra khi đo dòng của các tải điện phi tuyến tính (như đèn compact, nguồn xung), nhóm tác giả đã thiết kế bổ sung mạch lọc tích hợp tụ điện ở ngõ ra của cảm biến nhằm làm phẳng dạng sóng trước khi đưa vào chân ADC của vi điều khiển PIC 16F886.

4. Module WiFi ESP8266 V1 giao tiếp với vi điều khiển trung tâm và máy chủ ThingSpeak qua phương thức nào?

Module WiFi ESP8266 V1 được kết nối vật lý với vi điều khiển PIC 18F4550 thông qua chuẩn giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ UART (hai chân Tx, Rx) với tốc độ baud chuẩn $115200\text{ bps}$. PIC 18F4550 gửi các tập lệnh AT Command chuẩn sang ESP8266 V1: lệnh AT+CWJAP để gia nhập vào mạng WiFi, lệnh AT+CIPMUX=0 để cấu hình kết nối đơn, lệnh AT+CIPSTART để mở kết nối TCP tới máy chủ ThingSpeak, và lệnh AT+CIPSEND để gửi gói tin HTTP chứa API Write Key cùng dữ liệu trạng thái phòng.

5. Ứng dụng giám sát trên điện thoại thông minh được phát triển bằng công cụ gì và lấy dữ liệu như thế nào?

Ứng dụng di động được lập trình trên môi trường Android Studio sử dụng ngôn ngữ Java để xử lý logic và ngôn ngữ XML để thiết kế giao diện đồ họa người dùng. Ứng dụng không giao tiếp trực tiếp qua sóng vô tuyến với các bo mạch phần cứng mà kết nối mạng Internet (qua WiFi hoặc dữ liệu di động 3G/4G) để gửi yêu cầu HTTP đọc dữ liệu từ các kênh (Channels) trên máy chủ đám mây ThingSpeak, từ đó phân tích cú pháp và cập nhật giao diện hiển thị trạng thái của từng phòng theo thời gian thực.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình hệ thống kiểm soát thiết bị tiêu thụ điện trong phòng" của sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp phần cứng và phần mềm trong việc giám sát gián tiếp hoạt động của phòng thông qua dòng điện tiêu thụ. Bằng việc kết hợp vi điều khiển PIC, cảm biến dòng CT103U, mạng truyền thông không dây tầm xa LoRa 433 MHz và cầu nối WiFi ESP8266 V1, hệ thống đã truyền tải thành công dữ liệu từ các phòng lên máy chủ đám mây ThingSpeak và ứng dụng Android. Nghiên cứu thể hiện tính ứng dụng thực tiễn trong công tác quản lý dịch vụ lưu trú, bảo đảm tính riêng tư cho người dùng và cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy cho việc phát triển các giải pháp quản lý năng lượng thông minh trên quy mô mở rộng.