Thiết kế và thi công mô hình ứng dụng IoT vào việc điều khiển các thiết bị trong phòng học

Đồ án ứng dụng IoT điều khiển thiết bị phòng học tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

• Tác giả: Trần Quốc Tịnh
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Ngô Lâm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử - viễn thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công mô hình ứng dụng IoT vào việc điều khiển các thiết bị trong phòng học
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình ứng dụng IoT điều khiển thiết bị phòng học

Mô hình ứng dụng IoT điều khiển thiết bị phòng học tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM là bước tiến lớn trong hiện đại hóa giáo dục. Đề tài được nghiên cứu và chế tạo bởi sinh viên khoa Điện - Điện tử. Hệ thống kết hợp mạng cảm biến và vi điều khiển tiên tiến để quản lý thiết bị điện. Mục tiêu cốt lõi là xây dựng không gian học đường thông minh, tiện nghi và tiết kiệm năng lượng. Công nghệ Internet of Things đóng vai trò cầu nối dữ liệu thực tế lên môi trường số. Các thiết bị như quạt điện, máy lạnh và bóng đèn được giám sát liên tục theo thời gian thực. Hệ thống thu thập trạng thái hoạt động và phản hồi ngay lập tức đến trung tâm xử lý. Nhờ kiến trúc mở, mô hình dễ dàng nâng cấp và triển khai tại nhiều cơ sở đào tạo. Giải pháp này giúp giảm thiểu thao tác quản lý thủ công của cán bộ nhà trường. Mô hình còn nâng cao ý thức bảo vệ tài nguyên công cộng của người học. Việc ứng dụng công nghệ IoT mở ra tiêu chuẩn mới cho các phòng học tại trường đại học kỹ thuật.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu đề tài tại ĐH SPKT TPHCM

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn tiên phong áp dụng công nghệ vào thực tiễn giảng dạy. Đề tài tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông xuất phát từ yêu cầu số hóa học đường. Đội ngũ sinh viên thực hiện đề tài dưới sự hướng dẫn chuyên môn của giảng viên khoa Điện - Điện tử. Việc số hóa phòng học giúp giảm áp lực vận hành cơ sở vật chất. Mô hình giải quyết bài toán tiêu hao năng lượng trong các giảng đường quy mô lớn. Sinh viên đã tận dụng kiến thức vi xử lý, mạch điện tử và lập trình mạng để tạo nên giải pháp đồng bộ. Đề tài khẳng định chất lượng đào tạo thực chiến của nhà trường.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật của hệ thống thông minh

Mục tiêu trọng tâm của hệ thống là tự động hóa toàn bộ thiết bị điện trong phòng học. Mô hình đảm bảo khả năng điều khiển thiết bị qua ứng dụng di động và giao diện trang web. Bên cạnh đó, hệ thống duy trì bảng nút nhấn cơ học để xử lý tình huống mất mạng Internet. Hệ thống tích hợp thẻ từ RFID nhằm xác thực danh tính người sử dụng trước khi kích hoạt thiết bị. Thời gian truy cập phòng học được ghi nhận chính xác theo thời gian thực. Nền tảng dữ liệu Firebase liên tục lưu trữ mọi thay đổi trạng thái của quạt, đèn và máy điều hòa. Điều này tạo nền tảng vững chắc cho công tác quản trị năng lượng thông minh.

II. Phân tích bất cập và nhu cầu ứng dụng IoT điều khiển thiết bị

Phương thức quản lý phòng học truyền thống bộc lộ nhiều điểm hạn chế lớn. Giảng viên và học viên thường quên tắt các thiết bị điện khi rời giảng đường. Quạt máy, điều hòa không khí và hệ thống đèn vẫn hoạt động trong phòng trống suốt nhiều giờ. Tình trạng này gây lãng phí nguồn điện năng nghiêm trọng và làm tăng chi phí vận hành. Hơn nữa, việc bật tắt thủ công làm giảm tuổi thọ của thiết bị điện tử. Nhân viên quản trị phải di chuyển liên tục qua các tầng để kiểm tra từng phòng học. Công việc kiểm tra trực tiếp đòi hỏi nhiều thời gian và công sức nhân sự. Mặt khác, việc kiểm soát thời gian ra vào phòng học chưa có dữ liệu minh bạch. Tình trạng mượn phòng không đúng lịch trình diễn ra thường xuyên. Các giảng đường cũng chưa tận dụng được nguồn ánh sáng tự nhiên một cách tối ưu. Khi trời nắng sáng, bóng đèn vẫn sáng hết công suất gây chói mắt và tiêu hao điện. Những bất cập thực tế này thúc đẩy yêu cầu cấp thiết về một giải pháp quản lý thông minh. Việc ứng dụng công nghệ IoT là hướng đi tất yếu để giải quyết triệt để những thách thức nêu trên.

2.1. Thách thức trong quản lý điện năng truyền thống

Hầu hết các phòng học truyền thống tại đại học hoạt động theo cơ chế thủ công. Người dùng phụ thuộc hoàn toàn vào công tắc cơ gắn trên tường. Sự sơ ý của học viên khiến lượng điện tiêu thụ tăng cao vào giờ nghỉ. Thiết bị chạy không tải tạo ra nguy cơ chập cháy điện và suy giảm độ bền linh kiện. Bên cạnh đó, ban quản lý thiếu công cụ thống kê số giờ vận hành thực tế của từng thiết bị. Điều này gây khó khăn lớn cho công tác bảo trì định kỳ. Quá trình kiểm tra phụ thuộc vào sự có mặt của nhân viên bảo vệ. Mô hình cũ bộc lộ sự thiếu hụt rõ rệt về tính linh hoạt và khả năng kiểm soát tập trung.

2.2. Nhu cầu tự động hóa và giám sát dữ liệu thực

Môi trường đào tạo hiện đại đòi hỏi khả năng phản hồi tức thời của cơ sở vật chất. Nhà trường cần hệ thống có thể nhận biết sự hiện diện của con người để tự động ngắt điện. Dữ liệu sử dụng thiết bị phải được cập nhật trực tuyến về điện thoại di động của người quản lý. Việc tích hợp thẻ thông minh giúp minh bạch hóa lịch sử mượn phòng của từng cá nhân. Đồng thời, hệ thống cần tự động bật đèn khi cường độ sáng trong phòng giảm sút. Sự đồng bộ dữ liệu lên máy chủ giúp các đơn vị quản lý dễ dàng xuất báo cáo thống kê. Việc hiện đại hóa hạ tầng phòng học trở thành nhu cầu cấp thiết nhằm hướng tới khuôn viên đại học xanh.

III. Phương pháp thiết kế mô hình ứng dụng IoT điều khiển thiết bị

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc khối chặt chẽ và tính module hóa cao. Khối xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển ESP và Arduino với khả năng kết nối mạng không dây mạnh mẽ. Khối cảm biến bao gồm cảm biến vật cản hồng ngoại và quang trở LDR. Cảm biến hồng ngoại phát hiện chuyển động của người học để duy trì nguồn điện. Cảm biến ánh sáng đo cường độ thực tế và tự động kích hoạt bóng đèn bổ sung khi phòng tối. Khối xác thực sử dụng module RFID để quét thẻ người dùng. Dữ liệu thẻ gồm mã định danh cá nhân và mốc thời gian từ module DS1307 được lưu trữ chi tiết. Màn hình LCD 2004 hiển thị trực quan thông số nhiệt độ, thời gian và trạng thái thiết bị. Mạch relay đóng vai trò công tắc đóng cắt cho tải điện áp cao như quạt và điều hòa. Ứng dụng Android và Web Server cung cấp giao diện trực quan cho người dùng tương tác từ xa. Toàn bộ thông tin được đồng bộ liên tục về cơ sở dữ liệu Firebase. Hệ thống còn trang bị nút nhấn vật lý để điều khiển khi gặp sự cố mạng.

3.1. Thiết kế phần cứng và tích hợp cảm biến

Phần cứng hệ thống được thiết kế chi tiết trên phần mềm Altium Designer. Mạch nguyên lý đảm bảo tính ổn định và cách ly dòng điện an toàn giữa mạch điều khiển và tải công suất. Vi điều khiển giao tiếp với module thời gian thực DS1307 qua chuẩn I2C với thạch anh 32.768 kHz. Cảm biến hồng ngoại nhận diện vật cản với độ nhạy cao để kiểm tra sự có mặt của người trong phòng. Khối chấp hành sử dụng các rơ-le cách ly quang nhằm bảo vệ vi xử lý khỏi hiện tượng quá áp. Màn hình LCD 2004 nhận tín hiệu hiển thị rõ ràng thông tin trạng thái hoạt động. Mỗi linh kiện đều trải qua quy trình chạy thử trên testboard trước khi hàn mạch thực tế.

3.2. Lập trình điều khiển đa nền tảng và cơ sở dữ liệu

Phần mềm hệ thống được phát triển đồng bộ trên nền tảng Arduino IDE và Android Studio. Vi điều khiển nạp mã nguồn xử lý thuật toán đọc cảm biến và phản hồi lệnh từ người dùng. Ứng dụng di động kết nối trực tiếp với Firebase Realtime Database để nhận dữ liệu tức thì. Giao diện Web Server viết bằng HTML cung cấp tùy chọn điều khiển linh hoạt qua trình duyệt máy tính. Khi người dùng quẹt thẻ RFID, hệ thống phát chuông thông báo và đồng thời trích xuất thông tin ra tệp Excel. Mọi thao tác bật tắt thiết bị qua app đều cập nhật trạng thái thực tế lên màn hình hiển thị. Giải pháp này giúp người quản lý kiểm soát toàn diện phòng học ở bất kỳ đâu.

IV. Kết luận về hiệu quả mô hình ứng dụng IoT điều khiển thiết bị

Mô hình ứng dụng IoT điều khiển thiết bị phòng học đã chứng minh tính khả thi cao trong thực nghiệm. Sản phẩm hoàn thiện đáp ứng toàn bộ các tiêu chuẩn kỹ thuật đề ra ban đầu. Thiết bị hoạt động ổn định và có thời gian phản hồi tín hiệu rất nhanh. Việc tự động ngắt điện khi giảng đường vắng người giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng điện. Chức năng giám sát từ xa qua App và Web Server mang lại sự thuận tiện vượt trội cho ban quản lý. Hệ thống ghi nhận lịch sử ra vào chính xác tạo môi trường học tập an toàn và kỷ luật. Bên cạnh giá trị thực tiễn, đề tài khẳng định năng lực ứng dụng công nghệ của sinh viên ĐH SPKT TPHCM. Mô hình có chi phí lắp đặt hợp lý và kết cấu module linh hoạt. Nhà trường hoàn toàn có thể nhân rộng giải pháp cho toàn bộ các tòa nhà giảng đường. Trong tương lai, hệ thống có thể tích hợp thêm trí tuệ nhân tạo để nhận diện khuôn mặt và dự đoán lịch bảo trì thiết bị. Đây là nền tảng quan trọng đóng góp vào chiến lược xây dựng đại học thông minh và phát triển bền vững.

4.1. Kết quả kiểm nghiệm và lợi ích vận hành

Quá trình thử nghiệm mô hình thực tế mang lại kết quả rất khả quan. Thời gian trễ khi điều khiển quạt và đèn qua ứng dụng di động chỉ dưới một giây. Cảm biến vật cản hồng ngoại nhận diện chuẩn xác trạng thái phòng để tự động ngắt nguồn điện dư thừa. Thao tác quẹt thẻ RFID lưu trữ đầy đủ mã số sinh viên cùng thời điểm ra vào mà không gặp lỗi dữ liệu. Nút bấm cơ học phản hồi lập tức khi ngắt kết nối mạng không dây. Màn hình LCD 2004 hiển thị thông số rõ ràng liên tục. Kết quả thử nghiệm chứng minh hệ thống vận hành bền bỉ và nâng cao hiệu quả tiết kiệm điện tại giảng đường.

4.2. Khả năng mở rộng và định hướng phát triển

Mô hình sở hữu tiềm năng phát triển phong phú trong giai đoạn tới. Hệ thống có thể mở rộng kết nối với hệ thống thời khóa biểu số của trường đại học. Khi đó, phòng học sẽ tự kích hoạt nguồn điện trước mỗi tiết học dựa trên lịch giảng dạy. Việc bổ sung cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22 cho phép máy lạnh tự điều chỉnh công suất làm mát theo thời tiết. Ngoài ra, module camera tích hợp thị giác máy tính sẽ hỗ trợ điểm danh tự động thay thế thẻ từ RFID. Ban quản lý cơ sở vật chất có thể theo dõi toàn bộ giảng đường trên một bảng điều khiển trung tâm duy nhất. Giải pháp mở ra bước chuyển dịch số toàn diện cho hạ tầng giáo dục.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các cơ sở giáo dục hiện nay, việc quản lý và vận hành hệ thống thiết bị điện trong phòng học như đèn chiếu sáng, quạt máy, máy lạnh và ti vi phần lớn vẫn sử dụng công tắc cơ học truyền thống. Thao tác bật tắt thủ công đòi hỏi người dùng phải trực tiếp di chuyển đến từng vị trí đặt công tắc, gây ra nhiều bất tiện trong quá trình học tập và giảng dạy. Bên cạnh đó, tình trạng quên tắt thiết bị điện khi rời khỏi phòng học dẫn đến sự lãng phí năng lượng đáng kể.

Dù các ứng dụng Internet of Things (IoT) trong quản lý thiết bị đã được một số đề tài khóa trước nghiên cứu, các hệ thống tiền nhiệm vẫn bộc lộ hạn chế về tốc độ truyền tải dữ liệu, độ trễ phản hồi của thiết bị và giao diện điều khiển chưa thực sự tối ưu cho người sử dụng. Nhằm khắc phục các tồn tại này, đề tài "Thiết kế và thi công mô hình ứng dụng IoT vào việc điều khiển các thiết bị trong phòng học" được thực hiện bởi sinh viên Trần Quốc Tịnh và Ngô Đức Long, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Ngô Lâm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh một mô hình phần cứng và phần mềm có khả năng giám sát, điều khiển thiết bị phòng học từ xa thông qua mạng không dây, đồng thời duy trì khả năng điều khiển thủ công tại chỗ.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định theo 8 bước:

1. Vẽ sơ đồ khối tổng quát cho mô hình.
2. Tính toán, chọn lựa linh kiện và thiết kế mô hình.
3. Vẽ sơ đồ nguyên lý sử dụng phần mềm Altium.
4. Lập trình cho mô hình bằng các phần mềm: Arduino IDE, Android Studio.
5. Chạy thử chương trình trên bảng mạch thử nghiệm (testboard) cho từng khối chức năng.
6. Thi công mô hình thực tế.
7. Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp.
8. Bảo vệ đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn cụ thể như sau:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị điện phòng học ứng dụng công nghệ IoT, bao gồm khối vi điều khiển trung tâm, khối kết nối không dây, hệ thống cảm biến môi trường, mô-đun nhận dạng sóng vô tuyến (RFID) và mạch điều khiển công suất.
• Phạm vi không gian: Mô hình thực nghiệm mô phỏng không gian phòng học tiêu chuẩn với quy mô giới hạn kiểm soát 8 thiết bị điện (đèn, quạt, máy điều hòa không khí, ti vi...).
• Phạm vi thời gian: Đề tài được tiếp nhận từ ngày 12/09/2024 và hoàn thành nghiệm thu vào tháng 12/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa lý thuyết mạng vạn vật kết nối (Internet of Things), kỹ thuật vi điều khiển, kỹ thuật truyền thông số nối tiếp và công nghệ đám mây:

• Khung lý thuyết IoT: Ứng dụng mô hình liên kết các vật thể thông qua mạng Internet nhằm thu thập dữ liệu trạng thái và truyền lệnh điều khiển mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người.
• Giao thức truyền thông phần cứng:
  • UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Chuẩn giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ, sử dụng hai đường truyền tín hiệu độc lập Tx (truyền) và Rx (nhận). Cấu trúc khung dữ liệu gồm bit Start (chuyển mức điện áp từ 1 xuống 0), các bit dữ liệu từ D0 đến D7, bit kiểm tra Parity và bit Stop kết thúc quá trình truyền.
  • I2C (Inter-Integrated Circuit): Chuẩn giao tiếp đồng bộ hai chiều sử dụng hai đường dây tín hiệu SDA (dữ liệu nối tiếp) và SCL (xung nhịp đồng hồ). Chuẩn này hỗ trợ địa chỉ 7-bit, cho phép kết nối tối đa 128 thiết bị trên cùng một bus với các chế độ tốc độ từ chuẩn (100 kHz) đến tốc độ cao, yêu cầu sử dụng điện trở kéo lên (pull-up resistors).
  • SPI (Serial Peripheral Interface): Chuẩn truyền thông nối tiếp đồng bộ toàn phần (full-duplex) sử dụng 4 đường dây tín hiệu gồm MOSI (Master Out Slave In), MISO (Master In Slave Out), SCLK (xung giữ nhịp) và SS (tín hiệu chọn vi mạch phụ thuộc, tích cực ở mức thấp).
  • Wi-Fi (IEEE 802.11): Giao thức mạng không dây hoạt động ở dải tần 2.4 GHz và 5 GHz phục vụ truyền nhận dữ liệu kết nối mạng cục bộ và Internet.
• Nền tảng đám mây và lưu trữ:
  • Google Firebase: Nền tảng phụ trợ (backend) cung cấp dịch vụ cơ sở dữ liệu thời gian thực (Realtime Database), Firestore, lưu trữ đám mây (Cloud Storage) và dịch vụ lưu trữ web (Hosting) nhằm đồng bộ hóa trạng thái tức thời giữa phần cứng và phần mềm.
  • Google Sheets: Sử dụng qua giao diện lập trình ứng dụng (API) để tự động ghi nhật ký điểm danh và thời gian ra vào phòng học.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế kỹ thuật bao gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật: Khảo sát thông số datasheet của linh kiện bán dẫn, IC nguồn, cảm biến và tài liệu lập trình SDK.
• Phương pháp thiết kế phần cứng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện và bố trí linh kiện mạch in (layout PCB) 2D/3D bằng phần mềm Altium Designer; chế tạo mạch in trung tâm.
• Phương pháp lập trình hệ thống: Sử dụng Arduino IDE để viết firmware cho vi điều khiển bằng C/C++; sử dụng Android Studio để xây dựng ứng dụng di động; thiết lập Webserver cục bộ và từ xa.
• Phương pháp đo đạc và thử nghiệm thực nghiệm: Đấu nối thử nghiệm từng khối chức năng riêng lẻ trên bo cắm thử nghiệm (testboard) trước khi hàn lắp cố định trên bo mạch chính; hiệu chỉnh cảm biến và đo kiểm tín hiệu kích rơ-le, độ ổn định nguồn điện áp.
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu nhận thời gian thực từ cảm biến quang trở (LDR), cảm biến hồng ngoại (IR module V1), mô-đun đọc thẻ RFID MFRC-522, mô-đun đồng hồ thời gian thực DS1307 và trạng thái đồng bộ hai chiều từ Firebase Realtime Database.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tầng rõ ràng, kết hợp chặt chẽ giữa khối điều khiển trung tâm và khối truyền thông không dây để đảm bảo tính liên tục của hệ thống.

Tên khối chức năng	Linh kiện / Mô-đun sử dụng	Thông số kỹ thuật và vai trò trong hệ thống
Khối xử lý trung tâm	Arduino Mega 2560	Vi điều khiển chính, tập hợp các cổng I/O số và tương tự để tiếp nhận tín hiệu cảm biến, quét thẻ RFID, điều khiển khối hiển thị và đóng cắt rơ-le
Khối giao tiếp Wi-Fi	NodeMCU ESP8266	Vi điều khiển tích hợp Wi-Fi, đảm nhận kết nối mạng Internet, giao tiếp dữ liệu thời gian thực với Firebase và chạy Webserver
Khối nhận dạng	MFRC-522 NFC	Tần số sóng vô tuyến tiêu chuẩn, đọc mã UID từ thẻ từ của người dùng để xác thực quyền truy cập và kích hoạt thiết bị
Khối cảm biến vật cản	Module hồng ngoại V1	Phát và thu tia hồng ngoại nhằm xác định sự hiện diện của người trong phòng để tự động ngắt tải khi phòng trống
Khối cảm biến ánh sáng	Module quang trở LDR	Đo cường độ sáng môi trường, kích hoạt hệ thống chiếu sáng tự động khi ánh sáng tự nhiên không đủ ngưỡng quy định
Khối thời gian thực	Module RTC DS1307	Giao tiếp I2C, thạch anh 32.768 kHz, 56 bytes RAM tĩnh, dòng tiêu thụ 1.5 mA, nguồn cấp 5VDC, duy trì giờ thực kể cả khi mất điện
Khối hiển thị	Màn hình LCD 2004	Hiển thị 4 hàng, mỗi hàng 20 ký tự, hiển thị thông tin thời gian thực từ DS1307, trạng thái hoạt động của các thiết bị
Khối âm thanh	Buzzer 5V	Còi báo phát tín hiệu âm thanh phản hồi khi quẹt thẻ RFID thành công hoặc thông báo sự kiện thao tác
Khối điều khiển công suất	02 Module Relay 4 kênh	Mạch rơ-le 5VDC cách ly quang (opto-coupler), điều khiển mức thấp (active LOW), đóng cắt tải dòng tối đa 10A, điện áp chịu đựng 250VAC
Khối nguồn hạ áp	Module DC-DC LM2596	Điện áp vào 3V - 30VDC, điện áp ra điều chỉnh 1.5V - 30VDC, dòng tải tối đa 3A, hiệu suất chuyển đổi đạt đến 92%

Về quy trình vận hành và liên kết dữ liệu:

• Khi người dùng quẹt thẻ RFID hợp lệ qua đầu đọc MFRC-522, Arduino Mega 2560 giải mã mã thẻ, phát âm báo qua còi Buzzer, xuất thông tin ra màn hình LCD 2004 và truyền thông tin xác thực sang ESP8266. ESP8266 sẽ đẩy dữ liệu bao gồm ID thẻ, tên người dùng, mốc thời gian vào/ra lên bảng tính Google Sheets để lưu trữ.
• Khi có người trong phòng (nhận diện qua cảm biến hồng ngoại), nếu cảm biến LDR báo thiếu sáng, đèn sẽ tự động bật. Ngược lại, khi cảm biến hồng ngoại xác nhận phòng không còn người trong một khoảng thời gian thiết lập, hệ thống tự động ngắt toàn bộ 8 rơ-le để tiết kiệm năng lượng.
• Người quản lý có thể điều khiển bật/tắt độc lập 8 thiết bị thông qua giao diện Webserver hoặc ứng dụng di động Android. Dữ liệu trạng thái được cập nhật trực tiếp lên Firebase Realtime Database; ESP8266 liên tục lắng nghe thay đổi từ Firebase và truyền lệnh qua giao tiếp UART về Arduino Mega 2560 để kích hoạt rơ-le tương ứng.
• Trong tình huống mạng Wi-Fi gặp sự cố hoặc mất kết nối Internet, hệ thống vẫn duy trì các nút nhấn cơ học thủ công kết nối trực tiếp vào Arduino Mega 2560 để đảm bảo khả năng bật tắt thiết bị không bị gián đoạn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu thực tiễn về hiện đại hóa công tác quản lý phòng học và khắc phục sự bất tiện của hệ thống công tắc cơ học truyền thống. Tác giả xác định rõ mục tiêu chế tạo một mô hình điều khiển thiết bị phòng học thông minh tích hợp công nghệ IoT, cho phép điều khiển qua Webserver và ứng dụng di động, kết nối cơ sở dữ liệu Firebase, ứng dụng thẻ RFID để điểm danh/lưu trữ thông tin người dùng lên trang tính, hiển thị đồng hồ thời gian thực và tự động ngắt tải khi không có người. Chương này cũng phân định giới hạn phạm vi nghiên cứu ở quy mô 8 thiết bị điện, tập trung phần cứng vi điều khiển Arduino Mega 2560, ESP8266 và phác thảo cấu trúc tổng thể gồm 5 chương nội dung chính cùng danh mục tài liệu tham khảo.

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 cung cấp nền tảng kiến trúc lý thuyết và phân tích kỹ thuật các thành phần cấu thành hệ thống. Tác giả hệ thống hóa định nghĩa IoT, các đặc điểm công nghệ và các ứng dụng tiêu biểu trong y tế, nhà thông minh, nông nghiệp và đô thị thông minh. Nội dung kỹ thuật đi sâu vào thông số cấu tạo của các bảng mạch vi điều khiển (Arduino Mega 2560, NodeMCU ESP8266) và các thiết bị ngoại vi: đầu đọc thẻ RFID MFRC-522, cảm biến quang trở LDR, cảm biến vật cản hồng ngoại V1, mô-đun thời gian thực DS1307 (hoạt động với thạch anh 32.768 kHz, dòng tiêu thụ 1.5 mA, 56 bytes RAM), màn hình LCD 2004, còi báo Buzzer, mạch rơ-le 4 kênh 5VDC cách ly quang và mạch hạ áp xung LM2596 (hiệu suất đến 92%, dòng tối đa 3A). Bên cạnh đó, chương 2 phân tích cặn kẽ 4 chuẩn truyền thông: UART (cấu trúc khung bit Start, Data D0-D7, Parity, Stop), I2C (giao tiếp 2 dây SDA/SCL, địa chỉ 7-bit cho 128 thiết bị), SPI (chuẩn 4 dây tốc độ cao full-duplex) và Wi-Fi (chuẩn IEEE 802.11ac, 802.11ax). Cuối cùng, chương thuyết minh các dịch vụ Firebase (Realtime Database, Firestore, Cloud Storage, Hosting) cùng các công cụ phần mềm Altium Designer, Arduino IDE, Android Studio và Google Sheets.

Chương 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

Chương 3 chi tiết hóa các yêu cầu kỹ thuật và hiện thực hóa bản vẽ hệ thống. Tác giả xây dựng sơ đồ khối toàn diện và phân tích chức năng của từng khối: khối xử lý trung tâm, khối giao tiếp Wi-Fi, khối cảm biến hồng ngoại, khối cảm biến ánh sáng, khối thời gian thực, khối hiển thị và khối điều khiển thiết bị công suất. Phần thiết kế phần cứng trình bày chi tiết cách phối ghép các chân tín hiệu giữa Arduino Mega 2560 với hai mô-đun rơ-le 4 kênh (tổng 8 kênh), mạch điều khiển tích cực mức thấp (active LOW), kết nối I2C cho DS1307 và LCD 2004, kết nối SPI cho module RFID và giao tiếp UART nối tiếp với ESP8266. Chương 3 khép lại bằng sơ đồ nguyên lý toàn diện của toàn bộ hệ thống mạch điện được thiết kế trên phần mềm Altium Designer.

Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG

Chương 4 mô tả quy trình chế tạo, lắp ráp phần cứng và xây dựng giải thuật phần mềm cho mô hình. Phần thi công phần cứng trình bày việc thiết kế và gia công board mạch in trung tâm, lắp ráp các linh kiện, mô-đun vi điều khiển và đi dây liên kết thực tế. Về phần mềm, tác giả xây dựng và phân tích các lưu đồ giải thuật chi tiết:

• Lưu đồ hoạt động của khối xử lý trung tâm (Arduino Mega 2560): đọc dữ liệu cảm biến, quét chu kỳ RFID, nhận tín hiệu nút nhấn cơ và điều khiển kích mở rơ-le.
• Lưu đồ hoạt động của NodeMCU ESP8266: quản lý kết nối mạng Wi-Fi, đồng bộ biến trạng thái với Firebase Realtime Database và gửi nhận dữ liệu UART với Arduino Mega 2560.
• Lưu đồ hoạt động của Webserver: phục vụ giao diện điều khiển qua trình duyệt web trên mạng nội bộ hoặc từ xa.
• Lưu đồ hoạt động của ứng dụng di động App Mobile trên nền tảng Android Studio: xác thực, hiển thị giao diện các nút gạt trạng thái 8 thiết bị và gửi bản tin cập nhật lên Firebase. Chương 4 cũng cung cấp tài liệu hướng dẫn vận hành, các bước thao tác hệ thống chi tiết cho người sử dụng.

Chương 5: KẾT LUẬN - NHẬN XÉT - HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 5 tổng kết lại toàn bộ khối lượng công việc đã triển khai từ lý thuyết đến mô hình thi công thực tế. Tác giả đưa ra các đánh giá, nhận xét khách quan về hiệu quả hoạt động của hệ thống, mức độ phản hồi của các khối cảm biến và tính ổn định của đường truyền không dây. Từ những kết quả đạt được, chương trình bày các điểm còn tồn tại và đề xuất các hướng phát triển kỹ thuật nhằm mở rộng khả năng ứng dụng thực tiễn của đề tài trong tương lai.

Chương 6: TÀI LIỆU THAM KHẢO

Liệt kê các nguồn tài liệu học thuật, giáo trình vi xử lý, sổ tay kỹ thuật linh kiện (datasheet), các bài báo khoa học và tài liệu hướng dẫn lập trình nền tảng Arduino, ESP8266, Android và dịch vụ Firebase đã được trích dẫn trong văn bản đồ án.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả kỹ thuật đạt được:

• Thi công hoàn chỉnh mô hình phần cứng điều khiển thiết bị phòng học với 8 cổng ra điều khiển tải qua 2 mạch rơ-le 4 kênh 5VDC cách ly quang học an toàn.
• Thiết lập thành công kênh truyền dữ liệu nối tiếp UART giữa Arduino Mega 2560 và NodeMCU ESP8266, duy trì kết nối mạng không dây Wi-Fi ổn định.
• Tích hợp thành công cơ sở dữ liệu thời gian thực Google Firebase, cho phép đồng bộ hóa hai chiều trạng thái thiết bị giữa mô hình phần cứng với cả ứng dụng di động Android (Android Studio) và giao diện Webserver.
• Ứng dụng thành công mô-đun RFID MFRC-522 kết hợp còi Buzzer để nhận dạng người dùng, đồng thời tự động xuất và ghi nhận dữ liệu định danh (mã thẻ, tên người, thời gian vào/ra) lên bảng tính Google Sheets.
• Triển khai chức năng tự động hóa cục bộ: tự động bật đèn theo mức sáng đo từ cảm biến LDR và tự động tắt thiết bị khi cảm biến hồng ngoại V1 phát hiện phòng học không có người.
• Duy trì hiển thị thời gian chính xác trên màn hình LCD 2004 thông qua mô-đun thời gian thực DS1307 và duy trì khả năng điều khiển độc lập qua cụm nút nhấn cơ học khi mất kết nối mạng Internet.

Về giải pháp kỹ thuật và đóng góp:

• Đề xuất mô hình điều khiển phân tầng: tách biệt tầng xử lý ngoại vi tải/cảm biến chuyên trách (Arduino Mega 2560 với số lượng cổng I/O lớn) và tầng xử lý truyền thông mạng không dây (ESP8266), giúp hệ thống hoạt động ổn định, tránh quá tải cho vi điều khiển đơn lẻ.
• Tác giả tự nêu điểm cải tiến so với các đề tài khóa trước: tập trung tối ưu hóa thuật toán truyền nhận dữ liệu để nâng cao tốc độ đáp ứng, gia tăng độ nhạy đóng ngắt thiết bị và thiết kế lại giao diện điều khiển trên Webserver và App Android trực quan, thân thiện hơn với người dùng.
• Cung cấp giải pháp an toàn điện và vận hành liên tục bằng cách tích hợp cách ly quang trên mô-đun rơ-le và xây dựng cơ chế nút bấm phần cứng song song với điều khiển qua đám mây.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên giới hạn nghiên cứu được văn bản xác định:

• Hệ thống thực nghiệm mới chỉ giới hạn quy mô điều khiển đóng cắt cho 8 thiết bị điện trong một mô hình phòng học mô phỏng, chưa mở rộng cho toàn bộ khuôn viên trường học với nhiều phòng học liên thông.
• Việc kiểm soát định danh người dùng và kích hoạt phòng học phụ thuộc vào việc quẹt thẻ RFID vật lý, chưa tích hợp các phương thức sinh trắc học.
• Khả năng tự động hóa của cảm biến hồng ngoại V1 và cảm biến quang trở LDR hoạt động dựa trên các ngưỡng cài đặt cố định, chưa có các giải pháp tự thích nghi theo mùa hoặc theo mật độ người phân bố tại từng vị trí khác nhau trong phòng.

Hướng phát triển tiếp theo được đề tài định hướng bao gồm:

• Nâng cấp vi điều khiển và thuật toán để mở rộng số lượng kênh điều khiển thiết bị vượt qua giới hạn 8 thiết bị hiện tại.
• Tối ưu hóa hơn nữa tốc độ truyền thông và giảm thiểu triệt để độ trễ tín hiệu phản hồi giữa Firebase và thiết bị thực thi.
• Phát triển thêm các thuật toán điều khiển thông minh và mở rộng các giao thức kết nối nhằm liên kết nhiều phòng học thành một hệ sinh thái quản lý năng lượng trường học đồng bộ.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

• Sinh viên thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính, Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về đề tài nhà thông minh (Smart Home) hoặc trường học thông minh (Smart Classroom).
• Người học và kỹ sư bắt đầu tiếp cận phát triển hệ thống IoT kết hợp giữa phần cứng nhúng nguồn mở và nền tảng đám mây Google Firebase.

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

• Chương 2 và Chương 3: Tài liệu tham khảo rõ ràng về cách cấu hình, thiết kế sơ đồ ghép nối giữa hai dòng vi điều khiển khác nhau (Arduino Mega 2560 và NodeMCU ESP8266) thông qua các chuẩn giao tiếp UART, I2C, SPI.
• Chương 4: Bản thiết kế sơ đồ nguyên lý trên Altium Designer và hệ thống lưu đồ thuật toán điều phối đa luồng giữa phần cứng vi điều khiển, ứng dụng di động Android Studio, Webserver và API đồng bộ dữ liệu với Google Sheets.

Câu hỏi thường gặp

1. Khối xử lý của hệ thống sử dụng loại vi điều khiển nào và phân chia nhiệm vụ ra sao?
Hệ thống sử dụng kết hợp hai loại vi điều khiển: Arduino Mega 2560 đóng vai trò khối xử lý trung tâm, phụ trách đọc cảm biến, quét thẻ RFID, điều khiển màn hình LCD 2004 và kích mở rơ-le 8 kênh; mô-đun NodeMCU ESP8266 đóng vai trò khối giao tiếp Wi-Fi, chịu trách nhiệm kết nối mạng Internet, đồng bộ dữ liệu thời gian thực với Firebase và chạy Webserver.

2. Hệ thống xử lý thế nào khi xảy ra sự cố mất kết nối mạng Internet?
Mô hình được trang bị hệ thống nút nhấn cơ học thủ công kết nối trực tiếp đến khối xử lý trung tâm Arduino Mega 2560, cho phép người dùng trong phòng học vẫn có thể trực tiếp bật tắt các thiết bị bình thường mà không bị phụ thuộc vào đường truyền mạng.

3. Cơ chế ghi nhận và lưu trữ thông tin người dùng sử dụng phòng học hoạt động như thế nào?
Khi người dùng quẹt thẻ từ qua mô-đun RFID MFRC-522, mã UID của thẻ được đọc và kiểm tra. Dữ liệu bao gồm ID thẻ, tên người dùng, mốc thời gian vào phòng và thời gian ra khỏi phòng sẽ được vi điều khiển truyền qua mạng để tự động lưu trữ và quản lý trên bảng tính Google Sheets thông qua kết nối API.

4. Khối điều khiển công suất sử dụng loại rơ-le nào và kích hoạt theo nguyên lý gì?
Hệ thống sử dụng hai mô-đun rơ-le 4 kênh (tổng cộng 8 kênh điều khiển) điện áp kích 5VDC, tích hợp cách ly quang (opto-coupler) để bảo vệ vi điều khiển, chịu được dòng điện tải tối đa 10A ở điện áp 250VAC. Mạch hoạt động theo nguyên lý kích mức thấp (active LOW): khi vi điều khiển xuất tín hiệu mức thấp (LOW) thì rơ-le đóng (bật thiết bị), ngược lại xuất mức cao (HIGH) thì rơ-le ngắt.

5. Mô-đun thời gian thực DS1307 sử dụng chuẩn giao tiếp gì và có thông số kỹ thuật ra sao?
Mô-đun DS1307 sử dụng chuẩn giao tiếp nối tiếp I2C, hoạt động với nguồn cung cấp 5VDC, sử dụng dao động thạch anh tần số 32.768 kHz, tiêu thụ dòng điện khoảng 1.5 mA và tích hợp sẵn 56 byte RAM tĩnh. Mô-đun hỗ trợ cả hai định dạng thời gian 12 giờ (AM/PM) và 24 giờ, giúp duy trì đếm giờ liên tục không làm mất dữ liệu ngay cả khi hệ thống bị mất nguồn điện chính.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình ứng dụng IoT vào việc điều khiển các thiết bị trong phòng học" của sinh viên Trần Quốc Tịnh và Ngô Đức Long đã hiện thực hóa thành công một giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh nhằm tự động hóa và điều khiển từ xa 8 thiết bị điện phòng học. Hệ thống giải quyết hiệu quả bài toán quản lý điện năng thông qua sự kết hợp nhịp nhàng giữa hai vi điều khiển Arduino Mega 2560 và NodeMCU ESP8266, nền tảng lưu trữ thời gian thực Firebase, ứng dụng di động Android cùng các cảm biến môi trường và thẻ từ RFID. Mô hình đáp ứng tốt tính linh hoạt và độ tin cậy vận hành thực tế nhờ cơ chế điều khiển dự phòng bằng nút bấm cơ học, cung cấp tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị cho các nghiên cứu ứng dụng IoT tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan: Giới thiệu về mục tiêu, giới hạn của đề tài. Cơ sở lý thuyết: Nghiên cứu về phần cứng hệ thống mô hình giải pháp kỹ thuật, các giao thức. Thiết kế và xây dựng hệ thống: Sơ đồ khối, phần cứng, và sơ đồ nguyên lý.Thi công hệ thống và mô hình, lưu đồ hoạt động.

Kết quả - nhận xét - đánh giá và hướng phát triển: Kết quả lý thuyết, kết quả thực tế, nhận xét và đánh giá hệ thống. Kết luận và hướng phát triển. 15 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 SƠ LƯỢC VỀ INTERNET OF THINGS 2.1 Định nghĩa IoT Internet of Things là một hệ thống các thiết bị vật lý được kết nối với Internet của các thiết bị, phương tiện, tòa nhà và các thiết bị khác được nhúng với thiết bị điện tử, phần mềm, cảm biến, cấu trúc thực thi và khả năng kết nối với mạng máy tính hoặc ứng dụng điện thoại di động trợ giúp thiết bị này thu thập và truyền với nhau mà không cần sự can thiệp của con người. Kết nối thì có thể thực hiện qua WiFi, Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại, Lora, BLE, RFID, LTE… Những thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, máy móc và nhiều thiết bị khác.

Internet of Things là mạng kết nối mọi vật, bao gồm cả con người, những mối tương quan với nhau người và người, người với những đồ dùng điện tử.2 Ứng dụng IoT Lĩnh vực y tế: IoT như cảm biến đo lường nhịp tim, nhiệt độ cơ thể, và lượng chất lỏng, giúp theo dõi sức khỏe của bệnh nhân một cách liên tục, hoặc IoT có thể giúp quản lý tài nguyên và quy trình trong bệnh viện. Ví dụ, các thiết bị IoTs có thể theo dõi các sản phẩm y tế,… Lĩnh vực nhà thông minh: IoT có thể ứng dụng vào hệ thống đèn thông minh có thể tự động điều chỉnh độ sáng dựa trên ánh sáng tự nhiên hoặc theo lịch trình bạn đặt trước, hay Camera an ninh thông minh ghi lại các hoạt động xung quanh nhà, gửi thông báo ngay lập tức nếu phát hiện chuyển động bất thường, máy rửa bát thông minh có thể được điều khiển từ xa và gửi thông báo khi hoàn thành công việc. Lĩnh vực nộng nghiệp: IoT có thể ứng dụng vào hệ thống hệ thống tưới tiêu thông minh. Sử dụng cảm biến độ ẩm đất để tự động điều chỉnh lượng nước tưới, giúp tiết kiệm nước và tối ưu hóa việc cung cấp nước cho cây trồng, hay chăn nuôi thông minh sử dụng cảm biến gắn vào động vật.

Lĩnh vực thành phố thông minh: IoT có thể ứng dụng vào hệ thống quản lý giao thông thông minh tự động điều chỉnh thời gian đèn tín hiệu dựa trên lưu lượng giao 16 thông thực tế, giảm ùn tắc và tối ưu hóa lưu thông, hay quản lý nước và hệ thống cấp thoát nước theo dõi và quản lý hệ thống thoát nước để ngăn chặn ngập lụt,… 2.3 Đặc điểm công nghệ IoT Một khía cạnh quan trọng của IoT là các đối tượng phải được xác định và định dạng rõ ràng. Tất cả các đồ vật, kể cả con người, đều được “gắn thẻ” để phân biệt giữa chính đồ vật đó với đồ vật ở không gian xung quanh, nhờ đó chúng ta có thể quản lý chúng hoàn toàn từ máy tính, điện thoại di động.1 Vi điều khiển Bên trong đồ án này nhóm em đã dùng những loại vi điều khiển là Arduino Mega 2560 và Module ESP8266 Node MCU.1 Giới thiệu về Arduino Arduino là một dạng vi xử lý được dùng để ứng dụng cho lập trình, tương tác với các thiết bị phần cứng khác có thể kể đến như: phần cứng động cơ bước, máy bơm, led, module tạo sương mù, module driver động cơ,… nhiều thiết bị khác.