Nghiên cứu phương pháp giao tiếp giữa các cảm biến và ứng dụng IoT trong giám sát thiết bị điện

Luận văn tốt nghiệp kỹ thuật nghiên cứu 0875 nghiên cứu một số phương pháp giao tiếp giữa các cảm biến và ứng dụng iot trong giám sát thiết, điều tra thực trạng, phân tích số

• Tác giả: Nguyễn Chí Thanh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thành Đạt
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Giao Tiếp Giữa Các Cảm Biến Và Ứng Dụng IoT Trong Giám Sát Thiết Bị Điện
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Quy Nhơn

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS (IoT)
• 1.1. Giới thiệu về Internet of Things (IoT)
• 1.2. Góc nhìn kỹ thuật về IoT
• 1.3. Công nghệ trong IoT
• 1.4. Đặc điểm của một hệ thống IoT
• 1.5. Mô hình của một hệ thống IoT
• 1.6. Ứng dụng của IoT
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH CẢM BIẾN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN PHÒNG HỌC
• 2.1. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSNS (WIRELESS SENSOR NETWORKS)
• 2.1.1. Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây
• 2.1.2. Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến
• 2.1.3. Phân loại mạng cảm biến
• 2.1.4. Các tham số đánh giá hiệu năng của mạng cảm biến không dây
• 2.1.5. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
• 2.2. MỘT SỐ GIAO THỨC TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG IoT
• 2.2.1. Giao thức MQTT
• 2.2.1.1. Thành phần của MQTT
• 2.2.1.2. MQTT Broker trong IoT
• 2.2.1.3. Cách thức hoạt động của giao thức MQTT
• 2.2.1.4. Ưu điểm của giao thức MQTT
• 2.2.1.5. Bảo mật của giao thức MQTT
• 2.2.2. Giao thức COAP
• 2.2.2.1. Một số đặc điểm và tính năng của giao thức COAP
• 2.2.3. Giao thức AMQP
• 2.2.3.1. Một số đặc điểm và tính năng của giao thức AMQP
• 2.2.4. Giao thức DSS
• 2.2.4.1. Một số đặc điểm và tính năng của giao thức DSS
• 2.2.5. Giao thức XMPP
• 2.2.5.1. Một số đặc điểm và tính năng của giao thức XMPP
• 2.3. CÔNG NGHỆ WIFI
• 2.3.1. Công nghệ truyền nhận dữ liệu
• 2.3.2. Thành phần của mạng Wifi
• 2.3.3. Cấu trúc liên kết
• 2.3.4. Cách thức hoạt động
• 2.3.5. Giao tiếp trong Wifi
• 2.3.6. Ưu nhược điểm
• 2.3.7. So sánh WiFi với một số công nghệ không dây khác
• 2.3.8. Một số đặc điểm của Home Assistant
• 2.3.9. Tính năng của Home Assistant
• 2.4. CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 2.4.1. Giới thiệu chip Wifi ESP32
• 2.4.2. Tổng quan ESP32
• 2.4.3. Đặc điểm ESP32
• 2.4.4. Sơ đồ chân của module ESP32-WOOM-32
• 2.4.5. Chức năng tích hợp trong ESP32
• 2.4.6. Thiết bị ngoại vi và cảm biến của ESP32
• 2.4.7. Đặc tính về điện
• 2.4.8. Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32
• 2.4.9. Cảm biến DTH11
• 2.4.9.1. Giới thiệu cảm biến DTH11
• 2.4.9.2. Nguyên lý hoạt động
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
• 3.1. MÔ TẢ THỰC NGHIỆM
• 3.1.1. Mô tả yêu cầu hệ thống
• 3.1.2. Lưu đồ giải thuật mạch điều khiển
• 3.1.3. Lưu đồ giải thuật Web Server
• 3.1.4. Phần mềm lập trình (Visual Studio Code)
• 3.2. TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM
• 3.2.1. Thực hiện kiểm tra trao đổi dữ liệu giữa publish và subscribe
• 3.2.2. Thực hiện đo nhiệt độ, độ ẩm gửi lên MQTT Broker
• 3.2.3. Đánh giá kết quả mô phỏng
• 3.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 3.3.1. Điều khiển và giám sát thiết bị cảm biến qua Web Server
• 3.4. NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Hướng phát triển
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về giao tiếp cảm biến và ứng dụng IoT

Nghiên cứu về giao tiếp cảm biến và ứng dụng IoT trong giám sát thiết bị điện đang trở thành một xu hướng quan trọng trong thời đại công nghệ 4.0. IoT cho phép các thiết bị kết nối và giao tiếp với nhau, tạo ra một hệ thống thông minh giúp quản lý và giám sát hiệu quả hơn. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao hiệu suất làm việc trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong giáo dục và quản lý cơ sở vật chất.

1.1. Ứng dụng của IoT trong giám sát thiết bị điện

Ứng dụng IoT trong giám sát thiết bị điện giúp theo dõi tình trạng hoạt động của các thiết bị như đèn, quạt, và máy chiếu. Hệ thống này cho phép người dùng kiểm soát từ xa, tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả sử dụng.

1.2. Lợi ích của giao tiếp cảm biến thông minh

Giao tiếp giữa các cảm biến thông minh giúp thu thập dữ liệu chính xác và nhanh chóng. Điều này không chỉ cải thiện khả năng giám sát mà còn hỗ trợ trong việc ra quyết định kịp thời, từ đó nâng cao hiệu quả quản lý.

II. Vấn đề và thách thức trong giám sát thiết bị điện

Mặc dù IoT mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc triển khai và sử dụng. Các vấn đề như độ tin cậy của kết nối, bảo mật dữ liệu và khả năng tương thích giữa các thiết bị cần được giải quyết để đảm bảo hiệu quả của hệ thống.

2.1. Độ tin cậy của kết nối trong IoT

Độ tin cậy của kết nối là yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động liên tục của hệ thống IoT. Các thiết bị cần có khả năng duy trì kết nối ổn định để truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả.

2.2. Bảo mật dữ liệu trong hệ thống IoT

Bảo mật dữ liệu là một thách thức lớn trong giao tiếp cảm biến. Việc bảo vệ thông tin nhạy cảm khỏi các cuộc tấn công mạng là cần thiết để đảm bảo an toàn cho người dùng và thiết bị.

III. Phương pháp giao tiếp giữa các cảm biến trong IoT

Có nhiều phương pháp giao tiếp giữa các cảm biến trong hệ thống IoT. Các giao thức như MQTT, CoAP và HTTP được sử dụng phổ biến để truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.

3.1. Giao thức MQTT trong IoT

Giao thức MQTT là một trong những giao thức nhẹ nhất, phù hợp cho các ứng dụng IoT. Nó cho phép truyền tải dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả, đặc biệt trong môi trường có băng thông hạn chế.

3.2. Giao thức CoAP và ứng dụng của nó

CoAP là giao thức được thiết kế cho các thiết bị nhúng, cho phép giao tiếp hiệu quả trong các mạng cảm biến. Nó hỗ trợ các tính năng như multicast và giảm thiểu độ trễ trong việc truyền tải dữ liệu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của IoT trong giám sát thiết bị điện

Việc ứng dụng IoT trong giám sát thiết bị điện đã được triển khai thành công trong nhiều lĩnh vực. Các mô hình giám sát thông minh giúp cải thiện hiệu quả quản lý và tiết kiệm chi phí vận hành. Các trường học, văn phòng và nhà máy đều có thể hưởng lợi từ công nghệ này.

4.1. Mô hình giám sát thiết bị điện trong trường học

Mô hình giám sát thiết bị điện trong trường học cho phép quản lý hiệu quả các thiết bị như đèn và quạt. Hệ thống này giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao trải nghiệm học tập cho học sinh.

4.2. Kết quả nghiên cứu về hiệu quả của IoT

Nghiên cứu cho thấy việc áp dụng IoT trong giám sát thiết bị điện đã giúp giảm thiểu chi phí vận hành và nâng cao hiệu suất làm việc. Các trường hợp thực tế cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong quản lý thiết bị.

V. Kết luận và tương lai của giao tiếp cảm biến trong IoT

Giao tiếp cảm biến và ứng dụng IoT trong giám sát thiết bị điện đang mở ra nhiều cơ hội mới. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến trong quản lý và điều khiển thiết bị, giúp nâng cao chất lượng cuộc sống.

5.1. Xu hướng phát triển của IoT trong tương lai

Xu hướng phát triển của IoT trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện khả năng kết nối và bảo mật. Các công nghệ mới sẽ được phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.

5.2. Tác động của IoT đến cuộc sống hàng ngày

Sự phát triển của IoT sẽ có tác động lớn đến cuộc sống hàng ngày, từ việc quản lý thiết bị điện đến việc cải thiện trải nghiệm người dùng. Công nghệ này sẽ tiếp tục thay đổi cách thức con người tương tác với thế giới xung quanh.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thực trạng tiêu thụ điện năng tại các cơ sở giáo dục hiện nay đang đối mặt với sự lãng phí đáng kể do quy trình quản lý và vận hành thiết bị hoàn toàn thủ công. Theo thống kê tại nhiều trường đại học, hệ thống chiếu sáng và quạt làm mát chiếm từ 40% đến 60% tổng lượng điện tiêu thụ hàng tháng, trong đó có khoảng 15% đến 25% điện năng bị tiêu hao vô ích do tình trạng quên tắt thiết bị khi kết thúc buổi học. Vấn đề nghiên cứu đặt ra là làm thế nào để số hóa, tự động hóa việc giám sát và điều khiển thiết bị điện phòng học nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành và giảm phát thải năng lượng.

Luận văn thạc sĩ ngành Khoa học máy tính của tác giả Nguyễn Chí Thanh, thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thành Đạt tại Trường Đại học Quy Nhơn, đã giải quyết trọn vẹn bài toán này. Đề tài tập trung nghiên cứu các phương pháp giao tiếp giữa các cảm biến và ứng dụng Internet of Things (IoT) nhằm xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị điện phòng học từ xa thông qua mạng Internet. Mục tiêu cụ thể là chế tạo thành công mạch điều khiển phần cứng sử dụng vi điều khiển ESP32, tích hợp cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm và các module relay để điều khiển tải điện 220VAC như hệ thống đèn, quạt và máy chiếu.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trên mô hình phòng học thực tế trong giai đoạn từ năm 2019 đến năm 2021. Kết quả đạt được mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc: giúp giảm thiểu hơn 20% lượng điện hao phí, loại bỏ hoàn toàn 100% nhu cầu di chuyển bật tắt thủ công của nhân viên quản trị, đồng thời cung cấp giải pháp IoT có chi phí đầu tư thấp, độ bền cao và dễ dàng nhân rộng cho hàng trăm giảng đường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được phát triển dựa trên hai trụ cột lý thuyết vững chắc: mô hình kiến trúc Internet of Things (IoT) 4 lớp tiêu chuẩn và lý thuyết mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks - WSN) theo mô hình tham chiếu OSI. Kiến trúc hệ thống bao gồm 4 tầng chức năng chặt chẽ:

• Lớp thiết bị (Device Layer): Đảm nhận nhiệm vụ đo đạc môi trường và chấp hành lệnh, sử dụng vi điều khiển ESP32-WROOM-32 kết hợp cảm biến DHT11 và các rơ-le công suất.
• Lớp mạng (Network Layer): Thực hiện truyền tải dữ liệu dựa trên chuẩn Wi-Fi IEEE 802.11b/g/n ở băng tần 2.4 GHz với tốc độ lý thuyết lên đến 600 Mbps và phạm vi phủ sóng hiệu dụng từ 100 đến 250 mét.
• Lớp hỗ trợ dịch vụ và ứng dụng (Service & Application Support Layer): Xử lý dữ liệu trung gian thông qua máy chủ MQTT Broker (Mosquitto).
• Lớp ứng dụng (Application Layer): Giao diện tương tác người dùng trực quan trên nền tảng nhà thông minh mã nguồn mở Home Assistant (Hassio).

Hệ thống tập trung ứng dụng giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) theo mô hình Publish/Subscribe. Giao thức này sở hữu ưu điểm vượt trội với tiêu đề gói tin cố định chỉ 2 byte, hỗ trợ 3 cấp độ chất lượng dịch vụ (QoS 0, QoS 1, QoS 2), giúp tối ưu hóa băng thông truyền thông M2M (Machine to Machine) và D2S (Device to Server). Ngoài ra, luận văn còn đối sánh chi tiết các giao thức truyền dữ liệu chuyên dụng khác như CoAP trên nền UDP, AMQP định hướng hàng đợi cho máy chủ, DDS dành cho hệ thống thời gian thực với độ trễ từ 10 micro giây đến 10 mili giây, và XMPP trên nền XML.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn lựa chọn phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm chế tạo phần cứng và kiểm thử phần mềm thực tế. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 1 bộ điều khiển trung tâm kết nối trực tiếp với 12 thiết bị điện tiêu biểu trong một phòng học tiêu chuẩn (gồm 6 cụm đèn chiếu sáng LED, 4 quạt trần công suất 75W và 2 máy chiếu công suất 300W). Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu điển hình đại diện cho không gian giảng đường có diện tích từ 60 đến 100 mét vuông.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm là nhằm thu thập các chỉ số định lượng khách quan về độ trễ đáp ứng của gói tin (tính bằng mili giây), tỷ lệ truyền gói tin thành công (PSR) và mức độ ổn định của mạch điều khiển khi chịu tải liên tục 220VAC. Nguồn dữ liệu sơ cấp được trích xuất từ cảm biến môi trường DHT11 và nhật ký trạng thái của MQTT Broker trong chu kỳ kiểm thử 30 ngày liên tục. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu kéo dài 24 tháng (từ khóa học 2019 đến năm 2021), bảo đảm tính chuẩn xác khoa học và độ tin cậy kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình đo đạc và thực nghiệm hệ thống đã ghi nhận 4 phát hiện kỹ thuật quan trọng:

• Tính ổn định của nút cảm biến phần cứng: Module ESP32-WROOM-32 kết nối cảm biến DHT11 vận hành liên tục với chu kỳ lấy mẫu 5 giây một lần. Cảm biến thu thập chính xác dải nhiệt độ từ 0 đến 50 độ C (sai số dưới 2 độ C) và độ ẩm không khí từ 20% đến 90% RH (sai số dưới 5%), đáp ứng tốt điều kiện khí hậu nhiệt đới tại Việt Nam.
• Tốc độ truyền tin và thời gian phản hồi vượt trội: Ứng dụng giao thức MQTT giúp giảm tải kích thước bản tin tới 70% so với giao thức HTTP truyền thống. Thời gian đáp ứng lệnh điều khiển bật tắt thiết bị đo được đạt mức dưới 85 mili giây trong mạng nội bộ LAN và dưới 320 mili giây khi điều khiển từ xa qua mạng Internet.
• Tiết kiệm năng lượng máy chủ: Việc cài đặt hệ điều hành Armbian và máy chủ Home Assistant trên phần cứng TV Box (Red Box chip ARM) chỉ tiêu thụ công suất từ 3W đến 4.5W, tiết kiệm hơn 85% điện năng so với việc vận hành một máy tính PC thông thường làm server (thường tiêu tốn từ 60W đến 150W).
• Độ tin cậy truyền dữ liệu cao: Tỷ lệ truyền gói tin thành công đạt 99.2% ở chế độ đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS 1, bảo đảm trạng thái đóng ngắt của các relay 220VAC luôn được đồng bộ chính xác lên Web Server mà không xảy ra hiện tượng mất gói tin hay sai lệch trạng thái thiết bị.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm chứng minh rằng kiến trúc kết hợp giữa vi điều khiển ESP32, Mosquitto MQTT Broker và Home Assistant là lựa chọn tối ưu cho hệ thống quản lý phòng học thông minh. Nguyên nhân giúp hệ thống đạt độ trễ thấp là do cơ chế giữ kết nối liên tục của MQTT trên nền TCP/IP, loại bỏ hoàn toàn chi phí bắt tay lặp lại của các truy vấn HTTP thông thường.

So với các giải pháp sử dụng công nghệ ZigBee hay Bluetooth Low Energy (BLE), giải pháp sử dụng Wi-Fi 802.11n trong luận văn có lợi thế rõ rệt về khoảng cách bao phủ (đạt 100 đến 250 mét) và khả năng tương thích trực tiếp với hạ tầng mạng sẵn có của nhà trường mà không cần trang bị thêm các bộ Gateway chuyển đổi đắt đỏ.

Dữ liệu thực nghiệm của hệ thống có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ đường thể hiện sự dao động nhiệt độ - độ ẩm theo các mốc thời gian từ 7 giờ đến 17 giờ, cùng bảng so sánh thời gian trễ giữa 3 cấp độ QoS (QoS0, QoS1, QoS2). Phát hiện này khẳng định tính khả thi của việc mở rộng quy mô quản lý đồng thời hơn 50 phòng học trên cùng một máy chủ trung tâm mà vẫn duy trì băng thông thông suốt.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu và thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị giải pháp cụ thể nhằm nâng cao hiệu năng và mở rộng ứng dụng hệ thống trong thực tiễn:

• Tích hợp cảm biến đo dòng chuyên dụng: Bổ sung module cảm biến dòng điện không xâm lấn ACS712 hoặc PZEM-004T vào từng nhánh tải relay để giám sát trực tiếp công suất tiêu thụ thực tế. Mục tiêu kiểm soát điện năng với độ chính xác sai số dưới 1.5%, dự kiến triển khai trong thời gian 3 tháng dưới sự thực hiện của Ban quản trị thiết bị nhà trường.
• Thiết lập kịch bản tự động hóa thông minh: Cấu hình các quy tắc tự động hóa (Automation Rules) trên Home Assistant kết hợp cảm biến chuyển động hồng ngoại PIR. Đặt mục tiêu tự động ngắt 100% hệ thống chiếu sáng và quạt mát khi phòng học không có người sau 5 phút, thực hiện trong vòng 6 tháng bởi đội ngũ quản trị công nghệ thông tin.
• Nâng cấp bảo mật truyền thông đa tầng: Kích hoạt giao thức MQTTS qua cổng bảo mật 8883 sử dụng mã hóa SSL/TLS, đồng thời thiết lập danh sách kiểm soát quyền truy cập MQTT ACL cho từng vi điều khiển. Mục tiêu triệt tiêu 100% nguy cơ tấn công nghe lén hoặc giả mạo lệnh điều khiển, hoàn thành trong 1 tháng do chuyên viên an ninh mạng phụ trách.
• Chuẩn hóa module phần cứng công nghiệp: Thiết kế vỏ hộp bảo vệ đạt tiêu chuẩn IP54 chống bụi và ẩm, tích hợp bộ nguồn xung chuyển đổi 220VAC sang 5VDC cách ly an toàn. Mục tiêu rút ngắn 40% thời gian lắp đặt và bảo trì tại tất cả các dãy phòng học trong kế hoạch 12 tháng của Ban quản lý cơ sở vật chất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và giải pháp kỹ thuật hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

• Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Khoa học máy tính, Kỹ thuật phần mềm, Điện tử viễn thông: Luận văn là tài liệu tham khảo chi tiết về lập trình vi điều khiển ESP32 bằng Visual Studio Code với PlatformIO, kỹ thuật định tuyến WSN và cấu hình giao thức truyền tin thời gian thực.
• Kỹ sư phát triển hệ thống IoT và giải pháp nhà thông minh (Smart Home / Smart Building): Cung cấp hướng dẫn toàn diện từ khâu thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện, tích hợp relay công suất lớn đến việc biến TV Box cấu hình thấp thành IoT Gateway đa năng chạy Home Assistant.
• Ban giám hiệu và cán bộ quản lý cơ sở vật chất tại các cơ sở giáo dục: Hỗ trợ xây dựng phương án chuyển đổi số học đường, giúp đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật và cắt giảm từ 15% đến 25% chi phí tiền điện hàng tháng cho nhà trường.
• Các doanh nghiệp và đơn vị cung cấp giải pháp tiết kiệm năng lượng: Là mô hình mẫu có chi phí triển khai thấp, tính tùy biến cao, dễ dàng điều chỉnh ngưỡng cảm biến để áp dụng cho văn phòng làm việc, bệnh viện hay nhà xưởng công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống lựa chọn giao thức MQTT thay vì HTTP truyền thống?

Giao thức MQTT hoạt động theo mô hình Publish/Subscribe với kích thước tiêu đề gói tin chỉ 2 byte, nhẹ hơn rất nhiều so với HTTP. Nhờ đó, hệ thống tiết kiệm trên 70% băng thông mạng, giảm thời gian đáp ứng xuống dưới 100 mili giây và tối ưu hóa việc truyền nhận dữ liệu thời gian thực giữa hàng trăm vi điều khiển ESP32 và máy chủ.

2. Vi điều khiển ESP32 đóng vai trò gì trong mô hình phần cứng?

ESP32-WROOM-32 là bộ vi điều khiển trung tâm tại mỗi phòng học, tích hợp sẵn Wi-Fi 2.4 GHz và Bluetooth. Vi điều khiển thực hiện nhiệm vụ đọc dữ liệu môi trường từ cảm biến DHT11, gửi dữ liệu lên MQTT Broker và kích hoạt các module rơ-le để đóng ngắt nguồn điện 220VAC cho đèn, quạt và máy chiếu.

3. Việc triển khai Home Assistant trên TV Box mang lại ưu điểm gì?

Giải pháp sử dụng TV Box chạy hệ điều hành Armbian để cài đặt Home Assistant giúp tận dụng phần cứng giá rẻ sẵn có, tối ưu chi phí đầu tư ban đầu. Máy chủ này hoạt động bền bỉ 24/7 với công suất tiêu thụ cực thấp chỉ từ 3W đến 4.5W, tiết kiệm hơn 85% năng lượng so với máy chủ máy tính truyền thống.

4. Hệ thống có hoạt động được không khi xảy ra sự cố mất kết nối Internet?

Hệ thống vẫn hoạt động hoàn toàn bình thường trong mạng cục bộ LAN. Máy chủ Mosquitto Broker và Home Assistant được đặt tại chỗ cho phép người quản trị kiểm soát, bật tắt thiết bị và theo dõi cảm biến thông qua địa chỉ IP nội bộ mà không phụ thuộc vào đường truyền Internet ra bên ngoài.

5. Khả năng mở rộng của mô hình này ra quy mô toàn trường học như thế nào?

Mô hình có tính module hóa cao, cho phép mở rộng không giới hạn số lượng phòng học. Bằng cách phân cấp cấu trúc Topic trên MQTT Broker theo từng tòa nhà và dãy phòng, hệ thống có thể quản lý đồng thời trên 100 phòng học một cách mượt mà và an toàn.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu với các đóng góp kỹ thuật nổi bật:

• Thiết kế và chế tạo thành công mạch điều khiển phần cứng dựa trên chip ESP32-WROOM-32 kết hợp cảm biến DHT11, đạt tỷ lệ truyền tin cậy 99.2%.
• Ứng dụng thành công giao thức MQTT giúp tối ưu hóa băng thông truyền thông, hạ thời gian đáp ứng lệnh điều khiển xuống dưới 85 mili giây trong mạng LAN.
• Hiện thực hóa máy chủ giám sát Home Assistant trên phần cứng TV Box tiết kiệm hơn 85% điện năng tiêu thụ so với máy chủ PC thông thường.
• Xây dựng giao diện Web Server trực quan, thân thiện, cho phép theo dõi lịch sử và điều khiển bật tắt thiết bị điện phòng học mọi lúc, mọi nơi.
• Đóng góp giải pháp công nghệ có tính ứng dụng cao, giúp các trường học tiết kiệm trên 20% chi phí vận hành điện năng hàng tháng.

Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới, hệ thống được định hướng tích hợp thêm cảm biến đo dòng và thuật toán học máy để tự động hóa hoàn toàn lịch trình bật tắt thiết bị. Hãy liên hệ ngay với nhóm nghiên cứu để tiếp cận trọn bộ tài liệu thiết kế và chuyển giao giải pháp chuyển đổi số phòng học thông minh!

Trích đoạn nội dung tài liệu

B® GIÁO DỤC VÀ ÐÀO TẠO TR Ờ G Ð I HỌ QUY H NGUYỄN CHÍ THANH NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PH G PHÁP GIAO TIẾP GIỮA CÁC CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG IoT TRONG GIÁM SÁT THIẾT BỊ ÐIỆN PHÒNG HỌC U V TH S HOA HỌC MÁY TÍNH nh Ðịnh – ăm 2021 B® GIÁO DỤC VÀ ÐÀO TẠO TR Ờ G Ð I HỌ QUY H NGUYỄN CHÍ THANH NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PH G PHÁP GIAO TIẾP GIỮA CÁC CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG IoT TRONG GIÁM SÁT THIẾT BỊ ÐIỆN PHÒNG HỌC hu n ng nh : Khoa học máy tính Mã so 848 0101 g ời h ớng d n TS GUYỄ THÀ H Ð T LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan: - Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy TS. Nguyễn Thành Đạt. - Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng và trung thực tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố. - Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Tác giả luận văn Nguyễn Chí Thanh LỜI CẢM N Ðể hoàn thành luận văn này, ngoài những cố gắng của bản thân, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ của quý thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ tận tình của thầy TS. Nguyễn Thành Ðạt để luận văn thực hiện đúng tiến độ và hoàn thành tốt đẹp. Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô Khoa Công nghệ Thông tin, Phòng Sau đại học - Trƣờng Ðại học Quy Nhơn đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành chƣơng trình đào tạo thạc sĩ ngành Khoa học máy tính khóa 22, khóa học 2019 - 2021.

i MỤC LỤC Trang MỤC LỤC. i DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT.v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. vi DANH MỤC CÁC BẢNG. ix MỞ ÐẦU.Lý do chọn đề tài.Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài.Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu.

Ðối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.Phƣơng pháp nghiên cứu.Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn. TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS (IoT). Giới thiệu về Internet of Things (IoT). Góc nhìn kỹ thuật về IoT.

Công nghệ trong IoT. Ðặc điểm của một hệ thống IoT. Mô hình của một hệ thống IoT. Ứng dụng của IoT.

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSNS (WIRELESS SENSOR NETWORKS). Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây. Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến. Phân loại mạng cảm biến.

Các tham số đánh giá hiệu năng của mạng cảm biến không dây. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây. M®T SỐ GIAO THỨC TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG IoT. Giao thức MQTT.

Thành phần của MQTT:. MQTT Broker trong IoT. Cách thức hoạt động của giao thức MQTT. Ƣu điểm của giao thức MQTT.

Bảo mật của giao thức MQTT. Giao thức COAP. Một số đặc điểm và tính năng của giao thức COAP. Giao thức AMQP.

Một số đặc điểm và tính năng của giao thức AMQP. Giao thức DSS. Một số đặc điểm và tính năng của giao thức DSS. Giao thức XMPP.

Một số đặc điểm và tính năng của giao thức XMPP. CÔNG NGHỆ WIFI. Công nghệ truyền nhận dữ liệu. Thành phần của mạng Wifi.

Cấu trúc liên kết. Cách thức hoạt động. Giao tiếp trong Wifi. Ƣu nhƣợc điểm.

So sánh WiFi với một số công nghệ không dây khác. Một số đặc điểm của Home Assistant. Tính năng của Home Assistant. CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.

Giới thiệu chip Wifi ESP32. Tổng quan ESP32. Ðặc điểm ESP32. Sơ đồ chân của module ESP32-WOOM-32.

Chức năng tích hợp trong ESP32. Thiết bị ngoại vi và cảm biến của ESP32. Ðặc tính về điện. Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32[26].

Cảm biến DTH11. Giới thiệu cảm biến DTH11. Nguyên lý hoạt động:. M®T SỐ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN.

Nghiên cứu xây dựng m hình điều khiển nhà thông minh sử dụng kết nối Bluetooth, GSM. Ứng dụng internet of things xây dựng ngôi nhà thông minh. Nghiên cứu tích hợp mạng WSNS dựa trên công nghệ Zigbee. MÔ HÌNH CẢM BIẾN ÐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ÐIỆN PHÒNG HỌC.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống. Tính toán và thiết kế. ÐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH.

Ðóng gói bộ điều khiển. Thi công mô hình. Phần mềm lập trình vi điều khiển: VSCode (Visual Studio Code). Cài đặt Hassio home assistant trên TV box RED BOX.

THỰC NGHIỆM VÀ ÐÁNH GIÁ. MÔ TẢ THỰC NGHIỆM. Mô tả yêu cầu hệ thống. Lƣu đồ giải thuật mạch điều khiển.

Lƣu đồ giải thuật Web Server. Phần mềm lập trình (Visual Studio Code). TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM. Thực hiện kiểm tra trao đổi dữ liệu giữa publish và subcribe.

Thực hiện đo nhiệt độ, độ ẩm gửi lên MQTT Broker. Ðánh giá kết quả mô phỏng. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM. Ðiều khiển và giám sát thiết bị cảm biến qua Web Server.

NHẬN XÉT VÀ ÐÁNH GIÁ. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN. Hƣớng phát triển.99 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. iv v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Message Queuing Telemetry MQTT Bản tin hàng đợi truyền từ xa Transport BLE Bluetooth low energy Bluetooth năng lƣợng thấp CoAP Constrained Application Protocol Giao thức ứng dụng hạn chế Digital Subcriber Line Institute of DSL Kênh thuê bao số Electrical and Hass Home Assistant Trợ lý tại nhà HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản IEEE Electronics Engineers Viện kỹ thuật điện-điện tử IMAP Internet Message Access Protocol Giao thức truy cập th ng điệp internet IoT Internet of Thing Internet của vạn vật LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn M2M Mobile to mobile Thoại với thoại MAC Medicum Access Control Kiểm soát truy cập trung bình Public Switched Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch công PSTN Network cộng QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ Nhận dạng đối tƣợng bằng sóng vô RFID Radio Frequency Identification tuyến SMTP Simple Mail Transfer Protocol Giao thức truyền tải thƣ tín đơn giản TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền WSN Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây Extensible Messaging and Giao thức hiện diện và nhắn tin mở XMPP Presence Protocol rộng vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.

Internet of things. IoT kết nối vạn vật [3]. Năng lực truyền thông. Thời gian đáp ứng cho ứng dụng IoT.

Mô hình IoT. Kiến trúc của một nút cảm biến. Phần mềm điều khiển node cảm biến. Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu.

Mạng phức tạp. Các khái niệm liên quan tới thời gian sống trong WSN. Phân loại khái niệm độ tin cậy truyền tin trong WSN. Hoạt động của client.

Hoạt động của Topic. Thành phần của một MQTT trong hệ thống IoT. Giao thức COAP. Hoạt động của giao thức COAP.

Giao thức AMPQ. Dịch vụ phân bổ dữ liệu của DSS. Biểu tƣợng sóng WIFI. Cấu trúc liên kết ngang hàng.

Cấu trúc liên kết dựa trên AP. Cách thức hoạt động của mạng Wifi. Cách thức giao tiếp trong mạng Wifi. Giao diện màn hình Home Assistant.

Module ESP32-WOOM-32. Kiến trúc của ESP32. Sơ đồ bố trí chân của module ESP32-WOOM-32. Hình ảnh thực tế board ESP32.

Cấu trúc và địa chỉ bộ nhớ của ESP32. Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32. Sơ đồ nguyên lý thiết bị ngoại vi module ESP32-WOOM-32. Xung bắt đầu DHT11.

Gửi xung phản hồi của DHT11. Gửi dữ liệu chứa bit 0, bit 1. Kết thúc đọc giá trị của DHT11. Sơ đồ mô hình hệ thống.

Sơ đồ khối hệ thống. Board ESP32-DevKitC. Sơ đồ nguyên lý board điều khiển ESP32-DevKitC. Cơ cấu phát tín hiệu cho mạch điều khiển.

Cảm biến DHT11. Sơ đồ kết nối cảm biến DHT11 với ESP32. Ảnh hộp dựng mạch điều khiển. Mô hình mặt trong và mặt ngoài hệ thống.

Kết nối phần cứng. Biểu tƣợng VSCode. Giao diện trang Web tải VSCode. Giao diện khởi động VSCode.

Cài đặt PlatformIO IDE. Tạo dự án lập trình cho board ESP32-DevKitC. Giao diện lập trình. Máy chủ Home Assistant.

Tải file hệ hiều hành armbian. Cài đặt thẻ nhớ cho hệ hiều hành armbian. Reset máy chủ Home Assistant. Cấu hình IP trong Putty.

Giao diện Home Assistant sau khi cài đặt. Cấu hình Home Assistant. Màn hình cấu hình Home Assistant. Hoàn thành cấu hình Home Assistant.

Cài MQTT Broker cho Home Assistant. Cấu hình MQTT Broker. Lƣu đồ điều khiển thiết bị. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển.

Giao diện lập trình thành công. Cấu hình MQTT Broker trên Home Assistant. Quá trình kết nối thành công thiết bị lên webserver. Quá trình bật tắt từ webserver truyền về thiết bị.

Sơ đồ đấu nối cảm biến DHT11 với NodeMCU. Tạo trƣờng dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm trên Home Assitant. Dữ liệu trƣờng nhiệt độ, độ ẩm trên webserver. Mô hình hệ thống hoàn thiện.

Giao diện màn hình điều khiển bật/ tắt các thiết bị trên Webserver. Các thiết bị khi chƣa đƣợc bật trên màn hình điều khiển. Các thiết bị đƣợc bật trên màn hình điều khiển. Trạng thái thiết bị đƣợc giám sát trên MQTT Broker.

Kết nối phần cứng thiết bị. Truy cập thiết bị từ mạng LAN. Ping thiết bị từ mạng LAN. Biểu đồ đánh giá hoạt động của hệ thống.

Biểu đồ đánh giá thời gian đáp ứng của hệ thống.98 ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: Bảng tóm tắt các chuẩn WiFi (https://quantrimang.2: So sánh giữa Wi-Fi, Bluetooth và Hồng ngoại.3: Các phiên bản module của ESP32.4: Thông số kỹ thuật cơ bản của module ESP32-WOOM-32.5: Ðịnh nghĩa các chân module ESP32-WOOM-32.6: Các thông số đề nghị cho module ESP32-WOOM-32.1: Thống kê các thiết bị điện trong phòng học và công suất tiêu thụ.2: Thông số kỹ thuật module cảm biến DHT11.3: Dòng điện của các linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển.1: Số liệu thực nghiệm. ý do chọn đề t i Ngày nay, nhu cầu phát triển các ứng dụng liên quan đến Internet ngày càng cao. Và Internet of things (IoT) là một công nghệ quan trọng, chúng ta có thể tạo ra nhiều ứng dụng đa dạng phục vụ cho mọi lĩnh vực trong đời sống. Về cơ bản, IoT là một hệ thống mạng lƣới mà trong đó tất cả các thiết bị, đối tƣợng đƣợc kết nối Internet thông qua thiết bị mạng (network devices) hoặc các bộ định tuyến (routers).

IoT cho phép các đối tƣợng đƣợc điều khiển từ xa dựa trên hệ thống mạng hiện tại. Công nghệ tiên tiến này giúp giảm công sức vận hành của con ngƣời bằng cách tự động hóa việc điều khiển các thiết bị. Không nằm ngoài xu thế đó, hiện nay để hội nhập thế giới thì các doanh nghiệp, trƣờng học, … cũng đang đẩy mạnh việc ứng dụng công nghệ thông tin vào việc quản lý cơ sở vật chất nhằm nâng cao chất lƣợng cũng nhƣ tiết kiệm chi phí vận hành.