Đồ án nghiên cứu xây dựng nền tảng phần mềm Fullstack-MQTT cho kỹ sư tại ĐH SPKT TP.HCM

Nghiên cứu xây dựng nền tảng phần mềm Fullstack-MQTT cho kỹ sư tại HCMUTE, hỗ trợ thu thập dữ liệu IoT, giám sát và điều khiển thiết bị hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Trần Phúc Bảo
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Phan Hưng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu xây dựng nền tảng phần mềm Fullstack-MQTT cho kỹ sư
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu nền tảng phần mềm Fullstack MQTT tại HCMUTE

Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 thúc đẩy nhu cầu chuyển đổi số mạnh mẽ trong lĩnh vực kỹ thuật cơ điện tử. Các kỹ sư hiện đại cần làm chủ cả phần cứng điều khiển lẫn phần mềm điều hành. Đồ án tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã tập trung giải quyết bài toán này. Đề tài hướng đến xây dựng nền tảng phần mềm Fullstack-MQTT phục vụ công tác nghiên cứu và thực hành chuyên sâu. Nền tảng đóng vai trò cầu nối dữ liệu hai chiều giữa thiết bị công nghiệp và hệ thống máy chủ. Kiến trúc phần mềm kết hợp ngôn ngữ Python ở phía máy chủ cùng Javascript trên nền tảng giao diện người dùng. Sự kết hợp này mang lại khả năng xử lý tính toán linh hoạt và phản hồi nhanh chóng. Hệ thống loại bỏ sự phụ thuộc vào các giải pháp thương mại đắt đỏ. Kỹ sư có thể tự do mở rộng tính năng và cá nhân hóa mô hình điều khiển theo từng bài toán cụ thể. Nền tảng đem lại giá trị học thuật thực tiễn cao cho sinh viên ngành cơ điện tử.

1.1. Bối cảnh phát triển công nghệ IoT trong đào tạo kỹ sư

Ngành đào tạo kỹ thuật đang chuyển mình mạnh mẽ theo xu hướng số hóa toàn cầu. Các kỹ sư cơ điện tử không còn chỉ thuần túy chế tạo cơ khí hay lắp ráp mạch điều khiển. Họ bắt buộc phải tiếp cận công nghệ kết nối vạn vật nhằm tối ưu hiệu quả vận hành. Dữ liệu từ cảm biến cần được giám sát liên tục từ xa qua Internet. Tuy nhiên, việc thiếu hụt môi trường thực hành phần mềm tích hợp thường tạo ra rào cản lớn. Đồ án tại HCMUTE xuất hiện như một giải pháp kịp thời nhằm trang bị kiến thức lập trình thực chiến. Sinh viên vừa hiểu sâu kiến trúc mạng, vừa làm chủ quy trình xây dựng ứng dụng kỹ thuật hoàn chỉnh.

1.2. Mục tiêu xây dựng hệ thống phần mềm kỹ thuật tích hợp

Mục tiêu cốt lõi của công trình là tạo ra bộ công cụ phần mềm mã nguồn mở linh hoạt và miễn phí. Sản phẩm tập trung tối ưu hóa quy trình thiết lập bảng điều khiển kỹ thuật cho kỹ sư. Đề tài thiết lập một chuẩn giao tiếp thống nhất giữa các bộ điều khiển vi xử lý và giao diện người dùng. Nền tảng bảo đảm tốc độ truyền nhận nhanh, độ trễ thấp và tính ổn định cao trong môi trường mạng không dây. Ngoài ra, tài liệu kỹ thuật đi kèm cung cấp hướng dẫn lập trình chi tiết từ cơ bản đến nâng cao. Nhờ đó, người học có thể tự xây dựng ứng dụng chỉ trong thời gian ngắn mà không gặp trở ngại bản quyền phần mềm.

II. Thực trạng phát triển nền tảng phần mềm Fullstack MQTT hiện nay

Thực tế sản xuất công nghiệp đòi hỏi hệ thống thu thập dữ liệu vận hành liên tục và ổn định. Nhiều đơn vị sản xuất vẫn đang sử dụng các giao thức truyền thống như HTTP tiêu chuẩn để truyền nhận dữ liệu cảm biến. Giao thức HTTP tạo ra lượng tiêu đề gói tin quá lớn và tiêu tốn nhiều băng thông. Cơ chế kết nối yêu cầu lặp lại nhiều bước bắt tay TCP làm tăng đáng kể độ trễ truyền dữ liệu. Điều này hoàn toàn không phù hợp cho các thiết bị phần cứng nhúng có cấu hình yếu và nguồn điện hạn chế. Bên cạnh đó, các phần mềm SCADA thương mại trên thị trường hiện nay có chi phí bản quyền rất đắt đỏ. Các hệ thống đóng này gây khó khăn khi kỹ sư muốn lập trình can thiệp sâu vào giải thuật điều khiển. Người dùng gặp hạn chế lớn trong việc tùy biến bảng điều khiển và tích hợp thêm các cảm biến ngoại vi mới. Sinh viên ngành kỹ thuật thiếu hụt các công cụ miễn phí, trực quan và dễ tiếp cận để triển khai nhanh các mô hình nghiên cứu. Thực trạng đó đặt ra yêu cầu cấp thiết về một nền tảng mã nguồn mở toàn diện và tối ưu.

2.1. Hạn chế của các giải pháp truyền thông công nghiệp cũ

Nhiều hệ thống giám sát cũ dựa trên các giao thức truyền thông tuần tự hoặc HTTP truyền thống. Cơ chế HTTP đòi hỏi máy khách gửi yêu cầu liên tục để nhận phản hồi từ máy chủ. Quá trình này tiêu hao tài nguyên mạng và tăng nguy cơ tắc nghẽn đường truyền khi có nhiều điểm đo. Kích thước gói tin lớn tạo áp lực xử lý lên các bộ điều khiển vi mô đơn giản. Thêm vào đó, việc duy trì đường truyền liên tục gây hao tổn nguồn năng lượng nghiêm trọng. Các giải pháp cũ thiếu tính linh hoạt khi cần truyền dữ liệu thời gian thực giữa hàng chục thiết bị phân tán trong phân xưởng sản xuất.

2.2. Rào cản kỹ thuật lập trình đối với kỹ sư cơ điện tử

Chương trình đào tạo kỹ sư cơ điện tử thường chú trọng vào phần cứng, điều khiển tự động và cơ khí chính xác. Đa số sinh viên có kỹ năng vững vàng về vi điều khiển nhưng lại ít kinh nghiệm xây dựng ứng dụng web phức tạp. Khi muốn thiết kế giao diện SCADA hiện đại chạy trên trình duyệt, kỹ sư thường lúng túng trước các ngôn ngữ như HTML, CSS và JavaScript. Việc kết nối cơ sở dữ liệu và xử lý bất đồng bộ tạo ra thách thức lớn. Nếu không có một khung phần mềm định hình sẵn, việc tích hợp từ phần cứng lên đám mây sẽ tốn rất nhiều thời gian và dễ phát sinh lỗi hệ thống.

III. Kiến trúc thiết kế nền tảng phần mềm Fullstack MQTT chuẩn hóa

Để giải quyết triệt để các tồn tại trên, nhóm nghiên cứu tại HCMUTE xây dựng kiến trúc Fullstack kết hợp giao thức MQTT tinh gọn. Mô hình kiến trúc chia thành ba lớp mạch lạc: lớp thiết bị cảm biến, lớp máy chủ môi giới và lớp giao diện người dùng. Tầng máy chủ sử dụng nền tảng Python để xử lý luồng dữ liệu trung tâm và quản trị cơ sở dữ liệu. Ngôn ngữ Python sở hữu cú pháp tường minh, dễ tiếp cận và có kho thư viện tính toán khoa học phong phú. Ở tầng truyền thông, giao thức MQTT hoạt động dựa trên cơ chế xuất bản và đăng ký (Publish/Subscribe) cực kỳ nhẹ. Kích thước tiêu đề gói tin MQTT chỉ vỏn vẹn 2 byte, giảm thiểu tối đa tải trọng đường truyền qua mạng Internet. Tầng giao diện ứng dụng kết hợp HTML5, CSS3 và Javascript để tạo lập bảng điều khiển trực quan. Javascript chịu trách nhiệm cập nhật đồ thị và hiển thị trạng thái thiết bị theo thời gian thực mà không cần tải lại toàn bộ trang web. Kiến trúc này mang lại tính linh hoạt cao, giúp kỹ sư dễ dàng kiểm soát phần cứng từ bất kỳ thiết bị nào.

3.1. Tích hợp giao thức MQTT trong thu thập dữ liệu phần cứng

Hệ thống triển khai máy chủ trung gian MQTT Broker đóng vai trò điều phối thông tin. Các bộ điều khiển vi xử lý tại hiện trường thực hiện gửi gói tin đo lường lên các chủ đề (topics) xác định. Cấu trúc gói tin bao gồm các trường dữ liệu quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm, dòng điện và điện áp. MQTT cho phép thiết lập các mức chất lượng dịch vụ (QoS) nhằm bảo đảm gói tin được gửi đến đích an toàn ngay cả khi mạng chập chờn. Giải pháp này giúp thiết bị tiết kiệm điện năng tối đa nhờ việc không cần duy trì phiên truyền tải liên tục. Luồng dữ liệu cảm biến được đưa về trung tâm một cách tức thì và tin cậy.

3.2. Xây dựng giao diện web Fullstack bằng Python và Javascript

Lớp giao diện người dùng được thiết kế chuẩn đáp ứng nhằm hiển thị hoàn hảo trên máy tính và điện thoại thông minh. Phía máy chủ vận hành bằng Python xử lý định tuyến, xác thực bảo mật và lưu trữ cơ sở dữ liệu lịch sử vận hành. Phía máy khách sử dụng Javascript để xử lý tương tác và bắt các sự kiện phản hồi. Giao diện tích hợp các khối nút bấm ảo, thanh trượt điều khiển động cơ và đồ thị giám sát trực quan. Khi kỹ sư tương tác trên trang web, lệnh điều khiển sẽ ngay lập tức được gửi ngược về phần cứng qua đường truyền MQTT. Sự kết hợp công nghệ này mang lại trải nghiệm điều khiển mượt mà, tiện lợi và hiện đại.

IV. Ứng dụng thực tế của nền tảng phần mềm Fullstack MQTT kỹ thuật

Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã khẳng định tính khả thi và tiềm năng to lớn của nền tảng. Hệ thống được kiểm thử thực tế trên nhiều mô hình phần cứng thí nghiệm trong các xưởng cơ điện tử. Kết quả ghi nhận cho thấy khả năng truyền nhận dữ liệu diễn ra ổn định với thời gian đáp ứng tính bằng mili giây. Nền tảng thể hiện sự linh hoạt vượt trội trong việc mở rộng quy mô, từ các bài thực hành học phần đơn giản đến các dự án tự động hóa phức tạp. Việc cung cấp miễn phí và hoàn toàn chủ động mã nguồn giúp các kỹ sư trẻ tự tin ứng dụng vào đồ án thực tế. Nền tảng xóa bỏ rào cản chi phí bản quyền, tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu phát triển các hệ thống IoT công nghiệp nội địa. Sản phẩm đóng góp thiết thực vào việc đổi mới phương pháp giảng dạy kỹ thuật tại các trường đại học. Đây là nền móng vững chắc giúp kỹ sư Việt Nam làm chủ các giải pháp công nghệ cao trong kỷ nguyên số hóa công nghiệp hiện đại.

4.1. Hiệu quả triển khai trong môi trường thí nghiệm HCMUTE

Trong khuôn khổ phòng thí nghiệm Cơ điện tử tại HCMUTE, phần mềm được sử dụng để điều khiển các mô hình tay máy robot và hệ thống băng chuyền phân loại. Sinh viên có thể dễ dàng thiết lập bảng điều khiển và theo dõi thông số kỹ thuật trực tiếp trên màn hình máy tính bảng. Tốc độ thu nhận tín hiệu ổn định giúp giảm thiểu tối đa hiện tượng trễ lệnh hoặc mất gói tin. Nền tảng rút ngắn thời gian chuẩn bị thí nghiệm từ vài ngày xuống chỉ còn vài giờ thực hành. Môi trường học tập trở nên hứng khởi hơn khi sinh viên trực tiếp chứng kiến dòng mã phần mềm điều khiển chuẩn xác thiết bị vật lý.

4.2. Khả năng mở rộng cho dự án tự động hóa công nghiệp

Không chỉ dừng lại ở phạm vi học thuật, nền tảng sở hữu tiềm năng thích ứng cao trong sản xuất công nghiệp thực tế. Kiến trúc mô-đun hóa cho phép tích hợp thêm các giao thức chuẩn công nghiệp như Modbus hoặc OPC UA khi cần thiết. Doanh nghiệp vừa và nhỏ hoàn toàn có thể ứng dụng giải pháp này để giám sát dây chuyền sản xuất với chi phí đầu tư ban đầu cực thấp. Hệ thống hỗ trợ tích hợp thuật toán phân tích dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo để dự đoán hỏng hóc máy móc. Đây là bước đệm quan trọng hướng tới việc xây dựng các nhà máy thông minh độc lập và bền vững trong tương lai gần.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Lý do chọn đề tài: Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ đặt biệt công nghệ thông tin và viễn thông nhằm tiên phong tạo ra một nền tảng hỗ trợ cho lập trình fullstack và IoT. Nên nhóm đề nghiên cứu nền tảng fullstackmqtt dành cho kỹ sư. Nhằm phục vụ cho mục đích nghiên cứu và học tập.

Nhóm rất mong muốn được nhiều nhà phát triển cùng nhau xây dựng FullstackMQTT trở thành nền tảng mạnh mẽ, có thể trợ giúp cho sự phát triển IoT, AIoT và IioT của nước nhà. Tính cấp thiết của đề tài: Ngày nay, công nghệ mới luôn luôn được ra đời và công việc liên quan cũng được sinh ra, như Facebook ra đời kéo theo đó các lĩnh vực lập trình tự động marketing, … cũng ra đời. Đồng thời, cũng rất nhiều công nghệ cũ cùng với công việc liên quan cũng bị mất đi. Chúng ta sẽ rất tốn thời gian nếu như vô tình tìm hiểu về những công nghệ đó.

Thay vào đó, chúng ta tự tạo ra nền tảng riêng biệt và từ tạo ra cơ hội việc làm thì thật tuyệt vời. Nhưng dám nghĩ và dám làm thì vẫn chưa đủ nếu như chúng ta thiếu đi nền tảng kiến thức đến từ sách, các đoạn phim liên quan. Đề tài này được xây dựng từ nền kiến thức mà nhóm học tập được từ các sách, bài báo khoa học, các bài học trực tuyến miễn phí và có trả phí trên các nền tảng học tập trực tuyến. Đề tài xây dựng ra nền tảng lập trình mới và cũng đặc biệt chứng minh rằng tự học, tự đọc sách và chi trả chi phí cho việc nâng cấp kiến thức bản thân sẽ quan trọng như thế nào đối với mọi người nói chung và học sinh cùng sinh viên nói riêng.

Mục tiêu: Mục tiêu và sản phẩm nhóm hướng tới sau khi hoàn thành dự án là:  Nền tảng fstkmqtt (Fullstack MQTT) dưới dạng module package dành cho python; và đặt biệt cải tiến Broken ở lớp thứ 7 trong mô hình OSI  Tài liệu hướng dẫn tích hợp bản thuyết mình.  Mẫu thử nghiệm. Phương pháp nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu: Các phương pháp nghiên cứu nhóm sử dụng là:  Đọc tài liệu đề cập đến mạng OSI. Đặc biệt, nghiên cứu sâu tới TCP/IP và các ứng dụng của nó.

 Đọc tài liệu liên quan đến các chuẩn giao tiếp của giao thức MQTT V3.  Xem và học hỏi từ các nguồn chia sẽ kiến thức như youtube, facebook, ….  Tham gia các cuộc tra đổi học thuật online qua các phần mềm như Messenger, Zalo và Zoom.  Trao đổi với giảng viên trợ dẫn để hướng dẫn, đưa lời khuyên.

Đối tượng nghiên cứu:  Nghiên cứu về hạ tầng mạng với mô hình OSI  Nghiên cứu giao thức mạng TCP/IP.  Nghiên cứu giao thức HTTP. 1  Nghiên cứu giao thức MQTT. Các sản phẩm tương tự hoặc sản phẩm tiền nhiệm.

Sản phẩm Django: Hình 1. Hình Django dành cho Python. Django là một trong những nền tảng tốt bậc nhất dành cho python hỗ trợ cho lập trình viên trong lập trình. Ưu điểm:  Bảo mật của Django khá tốt.

 Hỗ trợ người dùng mở rộng thoải mái với lưu lượng traffic lớn.  Dễ sử dụng với Python và mô hình MVC  Dễ học tập với nguồn tài liệu học tập phổ biến dễ tìm Nhược điểm:  Không đưa ra cảnh báo khi có lỗi.  Tạo bộ định tuyến tương đối khó và phức tạp. Sản phẩm Flask: Hình 1.

Hình nền tảng Flask dành cho Python. 2 Ưu điểm:  Dễ dàng triển khai.  Dễ dàng học tập và nắm bắt.  Dễ dàng tiềm kiếm thông tin tài liệu.

 Có thể phòng chống XSS.