I. Thiết kế bộ điều khiển Tổng quan và Mục tiêu
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện thông minh tại HCMUTE tập trung vào việc xây dựng một hệ thống điều khiển các thiết bị điện xoay chiều công suất thấp. Hệ thống này sử dụng công nghệ Wifi và Internet of Things (IoT), cho phép điều khiển từ xa qua web server và ứng dụng di động (điều khiển từ xa, ứng dụng nhà thông minh). Mục tiêu chính là tạo ra một giải pháp tiết kiệm chi phí, dễ sử dụng và có tính ứng dụng cao trong các hộ gia đình. Ngành Điện tử Truyền thông tại HCMUTE đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển dự án này. Các công nghệ cốt lõi bao gồm Arduino, ESP8266, và Raspberry Pi, cho phép tích hợp các thành phần phần cứng và phần mềm một cách hiệu quả. Điểm nhấn của đồ án nằm ở việc kết hợp điều khiển qua màn hình cảm ứng và điều khiển qua web, mang lại sự tiện lợi tối đa cho người dùng. Đồ án cũng đề cập đến việc đo điện năng tiêu thụ, tính toán chi phí và cảnh báo vượt mức tiêu thụ, thể hiện sự quan tâm đến hiệu quả năng lượng và tính kinh tế. Thiết kế phần cứng và thiết kế phần mềm nhúng đều là những khía cạnh quan trọng cần được chú trọng trong quá trình triển khai.
1.1. Công nghệ và nền tảng
Đồ án tận dụng các công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực IoT và nhà thông minh. ESP8266 và Raspberry Pi là hai nền tảng chính được sử dụng. ESP8266 đảm nhiệm vai trò kết nối không dây Wifi, thu thập dữ liệu từ cảm biến và điều khiển các thiết bị. Raspberry Pi, với khả năng xử lý mạnh mẽ hơn, đóng vai trò trung tâm điều khiển, lưu trữ dữ liệu và tương tác với người dùng qua giao diện web. Việc lựa chọn ESP8266 là dựa trên tính năng kết nối Wifi hiệu quả, giá thành thấp và khả năng lập trình linh hoạt. Raspberry Pi được lựa chọn nhờ khả năng xử lý dữ liệu mạnh mẽ, khả năng tích hợp với nhiều loại cảm biến khác nhau, và khả năng chạy hệ điều hành Linux đầy đủ. Thiết kế mạch điện được tối ưu để đảm bảo tính ổn định và an toàn. An toàn điện được xem xét kỹ lưỡng trong toàn bộ quá trình thiết kế. Ngôn ngữ lập trình chính là C++ và Python, đây là các ngôn ngữ phổ biến và mạnh mẽ trong lập trình nhúng.
1.2. Thử nghiệm và đánh giá
Quá trình thử nghiệm và đánh giá được tiến hành để kiểm tra hiệu quả của hệ thống. Các bài kiểm tra bao gồm khả năng kết nối Wifi, độ chính xác của dữ liệu thu thập, tính ổn định của hệ thống điều khiển và khả năng sử dụng của giao diện người dùng. Các kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đạt được các mục tiêu đề ra. Tuy nhiên, một số hạn chế như sai số trong đo lường điện năng và thời gian phản hồi cần được cải thiện trong các phiên bản sau. Kiểm thử được thực hiện kỹ càng để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của hệ thống. Môi trường mô phỏng như Proteus và Multisim đã được sử dụng trong giai đoạn phát triển ban đầu. Thực tế ảo và thực tế tăng cường không được sử dụng trong dự án này. Phát triển phần mềm bao gồm việc thiết kế giao diện người dùng thân thiện và dễ sử dụng. Lập trình nhúng cho ESP8266 và Raspberry Pi là những phần quan trọng của quá trình phát triển. Hệ thống nhúng được tối ưu để tiết kiệm năng lượng và hoạt động hiệu quả.
II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Phần này trình bày cơ sở lý thuyết về các công nghệ then chốt được sử dụng trong đồ án. Internet vạn vật (IoT) được giải thích chi tiết, bao gồm các khái niệm, kiến trúc và ứng dụng. Giao thức MQTT được phân tích, nhấn mạnh vào vai trò của nó trong truyền thông dữ liệu hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Thiết kế web và ngôn ngữ lập trình web (ví dụ: PHP) được đề cập đến việc xây dựng giao diện người dùng web. Màn hình cảm ứng và giao tiếp UART được mô tả cách tích hợp vào hệ thống. Cơ sở dữ liệu được sử dụng để lưu trữ và quản lý dữ liệu. An toàn điện được xem xét trong thiết kế mạch. Tiêu chuẩn thiết kế và tiêu chuẩn an toàn được tuân thủ. Bộ điều khiển vi xử lý đóng vai trò trung tâm trong việc điều khiển các thiết bị. Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) không được sử dụng trong dự án này. Thiết kế hệ thống nhúng được ưu tiên để đảm bảo hiệu quả năng lượng. Giải pháp nhà thông minh được triển khai dựa trên các công nghệ đã nghiên cứu.
2.1. Mô hình hệ thống và kiến trúc
Hệ thống được mô tả bằng sơ đồ khối, thể hiện sự tương tác giữa các thành phần: cảm biến, bộ điều khiển, mạch nguồn, module Wifi, và thiết bị ngoại vi. Thiết kế phần cứng được minh họa bằng sơ đồ nguyên lý. Thiết kế phần mềm nhúng bao gồm các thuật toán xử lý dữ liệu, giao tiếp giữa các module và giao diện người dùng. Kiến trúc hệ thống được thiết kế theo mô hình client-server, trong đó Raspberry Pi đóng vai trò server, ESP8266 đóng vai trò client. Thiết kế phần cứng bao gồm lựa chọn các linh kiện phù hợp, đảm bảo tính hiệu quả và độ tin cậy. Thiết kế phần mềm tập trung vào việc phát triển giao diện người dùng thân thiện và các thuật toán điều khiển chính xác. Mô phỏng được sử dụng để kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo. Thực tế ảo không được sử dụng trong thiết kế này. Hệ thống nhúng được thiết kế sao cho hiệu quả và tối ưu.
2.2. Phương pháp lập trình và triển khai
Đồ án sử dụng ngôn ngữ lập trình C++ cho lập trình nhúng trên ESP8266 và Python trên Raspberry Pi. Lập trình nhúng được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả. Phát triển phần mềm bao gồm việc thiết kế và triển khai giao diện người dùng trên web và ứng dụng di động. Cơ sở dữ liệu được sử dụng để lưu trữ dữ liệu. Thực tế ảo không được sử dụng. Thực tế tăng cường không được sử dụng. Cổng giao tiếp được sử dụng bao gồm Wifi và UART. Thiết kế cơ sở dữ liệu đảm bảo tính hiệu quả và an toàn dữ liệu. An toàn điện được chú trọng. Tiêu chuẩn thiết kế và tiêu chuẩn an toàn được đáp ứng. Bộ điều khiển vi xử lý được lập trình để thực hiện các chức năng điều khiển chính xác và hiệu quả. Thiết kế phần cứng được tối ưu hóa để đảm bảo tính bền vững và đáng tin cậy.
III. Kết quả và đánh giá
Đồ án đã hoàn thành việc thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện thông minh. Hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng các yêu cầu đề ra. Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu quả của hệ thống trong việc điều khiển từ xa và giám sát thiết bị. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được cải thiện trong tương lai, ví dụ như độ chính xác của cảm biến, tốc độ phản hồi của hệ thống. Đánh giá toàn diện được thực hiện dựa trên các tiêu chí về hiệu quả, độ tin cậy và khả năng mở rộng. Tự động hóa nhà ở là một ứng dụng tiềm năng. Cộng nghệ 4.0 được phản ánh trong dự án. Xu hướng công nghệ được cập nhật. Tự động hóa nhà ở thông minh là một mục tiêu lâu dài. Tự động hóa công nghiệp không được đề cập trong đồ án.
