Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 và sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ Internet of Things (IoT), việc ứng dụng các hệ thống nhà thông minh ngày càng trở nên thiết yếu. Theo ước tính, việc sử dụng các thiết bị điện trong gia đình chiếm phần lớn tiêu thụ năng lượng, do đó việc giám sát và điều khiển từ xa các thiết bị này giúp tiết kiệm chi phí và năng lượng hiệu quả. Đề tài “Thiết kế và chế tạo ngôi nhà thông minh” nhằm mục tiêu xây dựng một mô hình hệ thống điều khiển và giám sát các thiết bị điện trong nhà qua ứng dụng Android, đồng thời theo dõi các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ khí gas. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc điều khiển 6 thiết bị điện (3 đèn, 3 quạt) sử dụng điện áp xoay chiều 1 pha, với giao diện điều khiển trên điện thoại Android và kết nối Internet qua mạng Wifi. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện rõ qua việc giảm thiểu tiêu thụ điện năng, nâng cao tiện ích và an toàn cho người dùng, đặc biệt trong bối cảnh dịch bệnh COVID-19 khi việc điều khiển từ xa hạn chế tiếp xúc trực tiếp được ưu tiên. Hệ thống được thiết kế để giám sát liên tục các chỉ số điện năng như điện áp, dòng điện, công suất và năng lượng tiêu thụ, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong sinh hoạt hàng ngày.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: Internet of Things (IoT) và công nghệ truyền nhận dữ liệu Wifi. IoT được hiểu là mạng lưới các thiết bị kết nối Internet, cho phép điều khiển và giám sát từ xa thông qua các thiết bị mạng hoặc bộ định tuyến. Ứng dụng IoT trong nhà thông minh giúp tự động hóa việc bật/tắt thiết bị, điều chỉnh nhiệt độ và giám sát môi trường. Công nghệ Wifi (IEEE 802.11n) được sử dụng để truyền dữ liệu không dây với tốc độ thực tế từ 15 đến 20 Mbps trong băng tần 2.4 GHz hoặc 5 GHz, đảm bảo kết nối ổn định giữa các thiết bị và ứng dụng điều khiển. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Giao tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): chuẩn truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ giữa các module vi điều khiển và cảm biến.
  • Giao tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit): giao thức truyền dữ liệu đồng bộ giữa vi điều khiển và các cảm biến qua hai dây SDA và SCL.
  • Firebase Realtime Database: nền tảng lưu trữ và đồng bộ dữ liệu thời gian thực trên đám mây, hỗ trợ bảo mật SSL và xác thực người dùng đa nền tảng.
  • Android OS: hệ điều hành mã nguồn mở cho thiết bị di động, cung cấp môi trường phát triển ứng dụng điều khiển từ xa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình hệ thống nhà thông minh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu nghiên cứu là một mô hình thực nghiệm gồm 6 thiết bị điện (3 đèn, 3 quạt) được điều khiển và giám sát. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp thiết kế hệ thống tích hợp các module phần cứng như Arduino Uno R3, NodeMCU ESP32, cảm biến DHT11, MQ-2 và module đo điện năng PZEM-004T. Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp mô phỏng và đo đạc thực tế các thông số điện năng, môi trường, đồng thời đánh giá hiệu quả điều khiển qua ứng dụng Android kết nối Firebase. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm học 2021, bao gồm các giai đoạn: nghiên cứu lý thuyết, thiết kế hệ thống, lập trình phần mềm, thi công phần cứng, thử nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Điều khiển thiết bị từ xa qua ứng dụng Android: Hệ thống cho phép điều khiển tốc độ 3 đèn và 3 quạt với 3 mức tốc độ khác nhau, kết nối ổn định qua Wifi với tốc độ truyền dữ liệu thực tế đạt khoảng 15-20 Mbps.
  2. Giám sát điện năng chính xác: Module PZEM-004T đo được điện áp xoay chiều 220V với sai số 0.01V, dòng điện tối đa 100A với sai số 0.001A, công suất lên đến 22kW sai số 0.1W, năng lượng tiêu thụ đo được chính xác đến 1Wh.
  3. Theo dõi môi trường trong nhà: Cảm biến DHT11 đo nhiệt độ trong khoảng 0-50℃ với sai số ±2℃, độ ẩm 20-80% sai số ±5%, cảm biến MQ-2 phát hiện nồng độ khí gas trong phạm vi 300-10000 ppm.
  4. Hiển thị thông số trực tiếp: Màn hình LCD 16x2 hiển thị các thông số môi trường và điện năng giúp người dùng dễ dàng quan sát mà không cần mở ứng dụng.

Thảo luận kết quả

Việc sử dụng Arduino Uno R3 làm vi xử lý trung tâm kết hợp với NodeMCU ESP32 giúp hệ thống có khả năng xử lý nhanh và kết nối Wifi ổn định, phù hợp với các ứng dụng IoT trong nhà thông minh. Kết quả đo điện năng từ module PZEM-004T cho thấy độ chính xác cao, hỗ trợ người dùng theo dõi và điều chỉnh mức tiêu thụ điện năng hiệu quả. So sánh với các nghiên cứu tương tự, hệ thống này có ưu điểm về tích hợp đa cảm biến và điều khiển tốc độ thiết bị, không chỉ bật/tắt đơn thuần. Việc sử dụng Firebase làm nền tảng lưu trữ và đồng bộ dữ liệu giúp tăng tính bảo mật và khả năng mở rộng hệ thống trong tương lai. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thời gian thực về điện áp, dòng điện và công suất tiêu thụ, giúp người dùng dễ dàng nhận biết xu hướng sử dụng điện và điều chỉnh phù hợp. Hạn chế của hệ thống là chỉ hỗ trợ điện áp 1 pha và giới hạn số lượng thiết bị điều khiển, tuy nhiên đây là bước đầu quan trọng để phát triển các mô hình nhà thông minh quy mô lớn hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng số lượng thiết bị điều khiển: Nâng cấp hệ thống để hỗ trợ điều khiển nhiều thiết bị hơn, tối thiểu 12 thiết bị, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng trong các hộ gia đình lớn. Thời gian thực hiện dự kiến 6 tháng, do nhóm phát triển phần cứng và phần mềm đảm nhận.
  2. Phát triển ứng dụng đa nền tảng: Thiết kế ứng dụng điều khiển trên cả hệ điều hành iOS và Android để tăng khả năng tiếp cận người dùng, hoàn thành trong vòng 4 tháng với sự phối hợp của nhóm lập trình viên di động.
  3. Tích hợp thêm cảm biến an ninh: Bổ sung cảm biến chuyển động, camera giám sát để nâng cao tính an toàn và bảo mật cho ngôi nhà thông minh, triển khai trong 5 tháng, do bộ phận kỹ thuật điện tử thực hiện.
  4. Tối ưu hóa giao diện người dùng: Cải tiến giao diện ứng dụng Android để thân thiện, dễ sử dụng hơn, đồng thời bổ sung tính năng cảnh báo khi phát hiện sự cố về điện hoặc khí gas, hoàn thành trong 3 tháng bởi nhóm thiết kế UX/UI.
  5. Đào tạo và hướng dẫn sử dụng: Tổ chức các buổi đào tạo cho người dùng cuối về cách sử dụng hệ thống và ứng dụng, giúp nâng cao hiệu quả vận hành, thực hiện định kỳ hàng quý do nhà trường và các đơn vị liên quan phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên ngành điện tử truyền thông và công nghệ thông tin: Có thể áp dụng kiến thức về IoT, lập trình vi điều khiển và phát triển ứng dụng di động trong các dự án nghiên cứu hoặc thực hành.
  2. Các nhà phát triển phần mềm và phần cứng IoT: Tham khảo mô hình tích hợp đa cảm biến, giao tiếp UART, I2C và sử dụng Firebase để xây dựng hệ thống điều khiển từ xa.
  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị nhà thông minh: Nghiên cứu giải pháp điều khiển và giám sát điện năng hiệu quả, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường Việt Nam.
  4. Cơ quan quản lý năng lượng và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để thúc đẩy các chương trình tiết kiệm điện và nâng cao nhận thức về sử dụng năng lượng bền vững trong cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống có thể điều khiển bao nhiêu thiết bị cùng lúc?
    Hiện tại hệ thống hỗ trợ điều khiển 6 thiết bị (3 đèn, 3 quạt) với 3 mức tốc độ khác nhau, phù hợp với nhu cầu gia đình nhỏ và trung bình.

  2. Ứng dụng điều khiển có thể chạy trên hệ điều hành nào?
    Ứng dụng được phát triển dành riêng cho hệ điều hành Android, sử dụng Android Studio để lập trình và kết nối qua Firebase.

  3. Độ chính xác của các cảm biến môi trường như thế nào?
    Cảm biến DHT11 đo nhiệt độ với sai số ±2℃ và độ ẩm ±5%, cảm biến MQ-2 phát hiện khí gas trong phạm vi 300-10000 ppm, đảm bảo giám sát môi trường hiệu quả.

  4. Hệ thống có đảm bảo an toàn khi sử dụng điện không?
    Module đo điện năng PZEM-004T có opto cách ly quang đảm bảo an toàn cho mạch điều khiển và người sử dụng, đồng thời hệ thống có thể cảnh báo khi phát hiện sự cố.

  5. Làm thế nào để mở rộng hệ thống trong tương lai?
    Hệ thống sử dụng Firebase làm nền tảng lưu trữ dữ liệu, dễ dàng mở rộng số lượng thiết bị và tích hợp thêm các cảm biến mới thông qua việc nâng cấp phần cứng và phần mềm.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình ngôi nhà thông minh với khả năng điều khiển 6 thiết bị điện và giám sát các thông số môi trường, điện năng.
  • Hệ thống sử dụng Arduino Uno R3 và NodeMCU ESP32 kết hợp giao tiếp UART, I2C, đảm bảo hiệu suất và độ ổn định cao.
  • Ứng dụng Android kết nối Firebase giúp người dùng điều khiển và theo dõi thiết bị từ xa một cách tiện lợi và bảo mật.
  • Kết quả đo đạc và giám sát điện năng có độ chính xác cao, hỗ trợ tiết kiệm năng lượng và chi phí sinh hoạt.
  • Đề xuất mở rộng hệ thống, phát triển đa nền tảng và tích hợp thêm cảm biến an ninh để nâng cao tính ứng dụng trong thực tế.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ tập trung vào việc mở rộng số lượng thiết bị điều khiển và phát triển ứng dụng đa nền tảng trong vòng 6 tháng tới. Mời các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và sinh viên quan tâm liên hệ để hợp tác phát triển và ứng dụng mô hình nhà thông minh này.