Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, Internet vạn vật (IoT) đóng vai trò then chốt trong việc kết nối, tương tác giữa các thiết bị thông minh, tối ưu hóa quy trình sản xuất và hiện đại hóa quản lý hệ thống. Nhu cầu đào tạo nguồn nhân lực có kỹ năng thực hành và làm chủ công nghệ IoT trong các ngành kỹ thuật, đặc biệt là ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, ngày càng trở nên cấp thiết. Tuy nhiên, tại các cơ sở giáo dục đại học ở Việt Nam, việc tiếp cận và thực hành công nghệ IoT còn gặp nhiều trở ngại do thiếu thốn trang thiết bị chuyên dụng đồng bộ và tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chi tiết. Quá trình học tập của sinh viên phần lớn dừng lại ở mức độ lý thuyết, thiếu điều kiện thực hành kiểm chứng trên các chuẩn giao tiếp công nghiệp và giao thức truyền thông không dây thực tế.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công bộ KIT lập trình IoT" của nhóm tác giả Trần Văn Chiến và Phan Thành Việt, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Thái tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 6/2024), được thực hiện nhằm giải quyết trực tiếp vấn đề trên thông qua việc phát triển một hệ thống phần cứng và phần mềm thực hành tích hợp đa chuẩn.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là thiết kế và thi công hoàn chỉnh bộ KIT thực hành IoT phục vụ giảng dạy, học tập và rèn luyện kỹ năng lập trình các bài toán ứng dụng IoT. Để đạt được mục tiêu này, các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Thiết kế phần cứng và mạch in (PCB) cho bộ KIT thực hành lập trình IoT tổng hợp kiêm trạm chủ ESP-NOW (ESP-NOW Master).
  2. Thiết kế phần cứng và mạch in cho trạm thu thập dữ liệu LoRa cùng các nút cảm biến (sensor nodes) giao tiếp không dây qua LoRa và ESP-NOW.
  3. Lập trình điều khiển truyền nhận dữ liệu qua các giao thức không dây ESP-NOW và LoRa.
  4. Xây dựng ứng dụng di động đa nền tảng để thu thập, giám sát và điều khiển dữ liệu theo thời gian thực.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài tập trung vào: cấu tạo, nguyên lý hoạt động của vi điều khiển tích hợp IoT (dòng ESP32); các chuẩn giao tiếp có dây thông dụng trong công nghiệp và dân dụng; màn hình tương tác giao diện người - máy (HMI); các framework lập trình ứng dụng di động, môi trường thực thi và hệ thống cơ sở dữ liệu thời gian thực; các giao thức mạng không dây tầm ngắn và tầm xa; các thành phần phần cứng mạch thu phát trong mạng lưới IoT.

Phạm vi nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản:

  • Nền tảng vi điều khiển: Sử dụng vi điều khiển ESP32-WROOM-32E giao tiếp cổng nạp USB Type-C qua chip chuyển đổi CP2102, đưa ra sẵn toàn bộ chân GPIO, đường nguồn và các khối giao tiếp.
  • Chuẩn giao tiếp cảm biến có dây: Khảo sát và tích hợp các chuẩn giao tiếp số I2C, RS485 (Modbus-RTU), RS232 cùng các chuẩn tín hiệu tương tự (analog) công nghiệp dòng 0/4–20mA và áp 0–10V.
  • Giao diện người - máy tại chỗ: Màn hình màu cảm ứng điện dung HMI DWIN 4.3 inch.
  • Nền tảng phần mềm di động và đám mây: Framework React Native, công cụ quản lý dự án Expo, môi trường thực thi Node.js, dịch vụ đám mây Firebase (Firebase Authentication, Realtime Database, Cloud Firestore).
  • Giao thức mạng không dây: Giao tiếp diện rộng công suất thấp LoRa (dải tần 433MHz) và giao thức mạng ngang hàng tốc độ cao ESP-NOW do Espressif phát triển.
  • Môi trường lập trình nhúng: Sử dụng Arduino IDE để biên dịch và nạp mã nguồn cho vi điều khiển.

Về mặt giới hạn đề tài, tác giả xác định rõ các điểm ràng buộc kỹ thuật:

  • Bộ KIT tập trung vào các tính năng nền tảng của IoT phục vụ mục đích tiếp cận và thực hành học tập, không đi sâu vào các cấu trúc chuyên biệt phức tạp của từng đối tượng công nghiệp riêng lẻ.
  • Phần cứng được thiết kế cố định xoay quanh vi điều khiển ESP32-WROOM-32E, không hỗ trợ chuyển đổi sang các dòng kiến trúc vi điều khiển khác.
  • Các cảm biến sử dụng trên các module chưa qua quy trình kiểm chuẩn độ chính xác theo tiêu chuẩn đo lường phòng thí nghiệm.
  • Cấu hình mạng truyền thông không dây thử nghiệm giới hạn kết nối đồng thời 6 thiết bị.
  • Hệ thống thư viện phần mềm lập trình kèm theo chỉ đóng gói các hàm chức năng cơ bản đã thiết lập trước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đề tài được xây dựng trên các nền tảng công nghệ phần cứng, giao thức mạng và kiến trúc phần mềm chuyên dụng:

Thành phần / Công nghệ Đối tượng lý thuyết & Tiêu chuẩn áp dụng Đặc tính kỹ thuật chính theo văn bản
Vi điều khiển chính Module ESP32-WROOM-32E (Espressif Systems) Lõi kép Xtensa 32-bit LX6 (tần số tối đa 240 MHz), 448 KB ROM, 520 KB SRAM, 16 KB RTC SRAM, Flash QSPI 4 MB đến 16 MB, bộ dao động thạch anh 40 MHz, điện áp hoạt động 3.0–3.6V (danh định 3.3V).
Màn hình tương tác (HMI) Màn hình HMI DWIN DMG80480C043_02WTC ASIC T5L1, tấm nền IPS TFT LCD 4.3 inches, độ phân giải 480×800 pixel, 16.7 triệu màu (24-bit 8R8G8B), độ sáng 250 nits, bộ nhớ Flash NOR 16 MB, giao tiếp UART2/UART4 (baud rate khuyến nghị 115200 bps), nguồn cấp 5V (dòng tiêu thụ 260mA khi bật đèn nền tối đa, 80mA khi tắt).
Mạng không dây tầm ngắn Giao thức ESP-NOW Truyền thông không cần bắt tay kết nối (connectionless), hỗ trợ truyền 1 chiều và 2 chiều, kích thước gói dữ liệu (payload) tối đa 250 byte, hỗ trợ mã hóa bảo mật, giới hạn kết nối 10 trạm ở chế độ Station và 6 trạm ở chế độ SoftAP/SoftAP+Station.
Mạng không dây tầm xa Mô-đun RF SPI LoRa SX1278 (Ai-Thinker Ra-02) Chip Semtech SX1278, điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS), dải tần 410–525 MHz (433 MHz), giao tiếp bus SPI, tốc độ truyền dữ liệu lên đến 300 Kbps, hệ số trải phổ SF từ 7 đến 12, hỗ trợ cấu trúc gói tin định dạng rõ ràng (explicit) và ẩn (implicit).
Chuẩn truyền thông có dây I2C, SPI, RS485 (Modbus-RTU), RS232, Analog I2C 2 dây (SCL, SDA); SPI 4 dây (SCLK, MOSI, MISO, SS); RS485 truyền vi sai 2 dây bán song công chống nhiễu chế độ chung; RS232 truyền nối tiếp không đồng bộ qua cổng DB9/DB25; tín hiệu công nghiệp chuẩn dòng 0/4–20mA và chuẩn áp 0–10V.
Thiết bị đo năng lượng Đồng hồ đo điện 1 pha Chint DDSU666 Điện áp hoạt động từ 0.2Un (Un: 120V, 220V, 230V, 240V), công suất tiêu thụ <1W (5VA), cấp chính xác Class 1.0, tiêu chuẩn IEC62052-11/IEC62053-21, giao tiếp cổng RS485 giao thức Modbus-RTU.
Phần mềm ứng dụng di động Framework React Native, Expo, Node.js, Firebase Nền tảng React Native phát triển ứng dụng di động đa nền tảng (iOS và Android) dùng JavaScript/React; môi trường thực thi Node.js; dịch vụ lưu trữ và đồng bộ đám mây Firebase Realtime Database và Cloud Firestore.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai thông qua sự kết hợp của ba phương pháp chính:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Khảo cứu cấu trúc mạng IoT, phân tích các tầng giao thức kết nối không dây (WiFi IEEE 802.11 b/g/n, LoRaWAN/LoRa, ESP-NOW) và nguyên lý điều khiển các mạch giao tiếp công nghiệp.
  • Phương pháp nghiên cứu phân tích: Khảo sát chi tiết datasheet, sơ đồ chân và điều kiện vận hành của các vi mạch phần cứng (ESP32-WROOM-32E, SX1278, IC chuyển đổi RS485, RS232, bộ biến đổi tương tự - số ADC).
  • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Tính toán thiết kế sơ đồ nguyên lý (schematic), thiết kế mạch in (PCB layout), gia công hàn lắp linh kiện thực tế, xây dựng giải thuật điều khiển trên Arduino IDE và DWIN DGUS V7.6, sau đó tiến hành đo đạc thực tế đánh giá tỷ lệ truyền nhận dữ liệu, khoảng cách truyền sóng trong môi trường có và không có vật cản.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm: tài liệu thông số kỹ thuật chính thức từ các nhà sản xuất bán dẫn (Espressif Systems, Semtech, DWIN Technology, Chint); các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế (IEEE 802.11, ISO 11898-1, IEC 62052-11); dữ liệu chuỗi thời gian thực nghiệm thu được từ cảm biến nhiệt độ - độ ẩm SHT31, đồng hồ đo điện DDSU666 và các gói tin đo đếm truyền nhận qua mạng LoRa và ESP-NOW.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống bộ KIT lập trình IoT được thiết kế theo kiến trúc module hóa toàn diện, phân tách rõ ràng giữa khối xử lý trung tâm, các trạm thu phát và các nút cảm biến chức năng.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                              KIẾN TRÚC TỔNG THỂ HỆ THỐNG                          |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|  +-----------------------------------+     +-----------------------------------+  |
|  |     MÀN HÌNH HMI DWIN 4.3"        |     |      ỨNG DỤNG DI ĐỘNG (APP)       |  |
|  | (UART 115200 bps / DGUS V7.6 GUI) |     |  (React Native / Firebase Cloud)  |  |
|  +-----------------+-----------------+     +-----------------+-----------------+  |
|                    | (UART)                                  | (WiFi/Internet)    |
|  +-----------------v-----------------------------------------v-----------------+  |
|  |             BỘ KIT THỰC HÀNH LẬP TRÌNH TỔNG HỢP / ESP-NOW MASTER             |  |
|  |   - Vi điều khiển: ESP32-WROOM-32E (Lõi kép 240MHz, Flash 4-16MB)           |  |
|  |   - Giao tiếp ngoại vi: Khối Relay đóng cắt, Nút nhấn, Cổng USB-C CP2102    |  |
|  |   - Tích hợp cảm biến tại chỗ: Cảm biến nhiệt - ẩm SHT31 (I2C)             |  |
|  |   - Cổng kết nối công nghiệp: Đồng hồ đo điện DDSU666 (RS485 Modbus-RTU)    |  |
|  +------------------------+----------------------------------------------------+  |
|                           | (Giao thức ESP-NOW 2.4GHz)                            |
|       +-------------------+-------------------+-------------------+               |
|       |                                       |                   |               |
|  +----v---------------+               +-------v-----------+  +----v-----------+   |
|  | Nút Cảm Biến I2C   |               | Nút Cảm Biến RS485|  | Nút Cảm Biến...|   |
|  +--------------------+               +-------------------+  +----------------+   |
|                                                                                   |
|  +-----------------------------------------------------------------------------+  |
|  |                           MẠNG CẢM BIẾN LORA KHÔNG DÂY                      |  |
|  |                                                                             |  |
|  |  +-----------------------+     LoRa 433MHz     +-------------------------+  |  |
|  |  |  TRẠM THU LORA (HUB)  |<===================>|    CÁC NÚT CẢM BIẾN     |  |  |
|  |  |  - ESP32 + RF SX1278  |  (SPI / Semtech)    |  - Node I2C / RS485     |  |  |
|  |  |  - Đẩy dữ liệu Cloud  |                     |  - Node RS232 / 0-10V   |  |  |
|  |  +-----------+-----------+                     |  - Node 4-20mA          |  |  |
|  +--------------|---------------------------------+-------------------------+--+  |
|                 | (WiFi)                                                          |
|                 v                                                                 |
|      [ FIREBASE REALTIME DB ]                                                     |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

1. Thiết kế phần cứng và chế tạo mạch in (PCB)

Phần cứng được chia tách thành các module chuyên biệt với thông số nguồn và mức tiêu thụ dòng điện được tính toán chi tiết:

  • Mạch trạm LoRa: Tích hợp vi điều khiển ESP32 và module LoRa SX1278 giao tiếp qua bus SPI, đảm nhiệm thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến tầm xa để chuyển tiếp lên cơ sở dữ liệu đám mây qua kết nối WiFi.
  • Mạch KIT tổng hợp / ESP-NOW Master: Là bo mạch trung tâm tích hợp vi điều khiển ESP32, cổng nạp Type-C CP2102, các chân mở rộng GPIO, ngõ ra relay điều khiển thiết bị tải, cổng UART kết nối màn hình HMI DWIN, ngõ giao tiếp RS485 đọc đồng hồ DDSU666 và giao tiếp I2C đọc cảm biến SHT31.
  • Các mạch nút cảm biến phân tán (Sensor Nodes): Được thiết kế riêng biệt theo từng dạng chuẩn tín hiệu, bao gồm:
    • Mạch nút cảm biến I2C (thu thập nhiệt độ, độ ẩm);
    • Mạch nút cảm biến RS485 (giao tiếp thiết bị Modbus-RTU);
    • Mạch nút cảm biến RS232 (giao tiếp thiết bị chuẩn nối tiếp công nghiệp);
    • Mạch nút cảm biến dòng 0/4–20mA (chuyển đổi dòng tín hiệu analog sang điện áp để xử lý);
    • Mạch nút cảm biến áp 0–10V (sử dụng mạch phân áp và đệm tín hiệu analog).

Toàn bộ mạch in được thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout đường mạch trên phần mềm chuyên dụng, sau đó gia công PCB 2 lớp, hàn linh kiện dán (SMD) và linh kiện cắm, lắp ráp trong vỏ hộp bảo vệ hoàn chỉnh với các bản vẽ 2D/3D chi tiết từng mặt.

2. Thiết kế phần mềm nhúng và giao diện HMI DWIN

Phần mềm nhúng chạy trên vi điều khiển ESP32 được cấu trúc thành các luồng tác vụ độc lập:

  • Tác vụ xử lý giao diện HMI DWIN: Trao đổi dữ liệu qua cổng nối tiếp UART theo cấu trúc khung truyền của phần mềm thiết kế DWIN DGUS V7.6, cập nhật trạng thái phím cảm biến, hiển thị đồ thị và thông số đo lường.
  • Tác vụ truyền nhận không dây ESP-NOW: Thiết lập chế độ Master/Slave, đóng gói dữ liệu cảm biến vào khung tin dung lượng dưới 250 byte, điều phối kết nối đa điểm.
  • Tác vụ truyền nhận không dây LoRa: Thiết lập tần số 433 MHz, cấu hình công suất phát, tốc độ mã hóa và hệ số trải phổ SF cho module SX1278.
  • Tác vụ kết nối đám mây: Quản lý kết nối WiFi, đồng bộ trạng thái ngõ vào/ra và các giá trị cảm biến với Firebase Realtime Database.

3. Thiết kế ứng dụng di động giám sát

Ứng dụng di động được xây dựng bằng framework React Native, chạy trên môi trường Node.js với sự hỗ trợ của Expo:

  • Khối xác thực người dùng: Tích hợp Firebase Authentication cho phép đăng ký tài khoản mới, đăng nhập hệ thống, gửi email khôi phục mật khẩu.
  • Khối cấu hình và quản trị thiết bị: Nhập địa chỉ MAC để liên kết ứng dụng với bo mạch phần cứng, thiết lập kết nối mạng WiFi cho KIT.
  • Khối giao diện điều khiển và giám sát: Hiển thị trạng thái các nút cảm biến phân tán theo trạm LoRa và trạm ESP-NOW, vẽ đồ thị biến thiên nhiệt độ - độ ẩm thời gian thực, hiển thị trực quan 4 thông số điện năng từ đồng hồ DDSU666 (điện áp, dòng điện, tần số, công suất tiêu thụ) và các nút gạt ảo để điều khiển đóng/ngắt relay từ xa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 thiết lập cơ sở khoa học và định hướng thực hiện của đề tài. Tác giả trình bày lý do lựa chọn nghiên cứu xuất phát từ thực trạng thiếu hụt trang thiết bị thí nghiệm thực hành IoT tại các trường đại học, phân tích bối cảnh công nghệ 4.0 và xác định rõ mục tiêu chế tạo bộ kit thực hành đa năng. Chương này công bố chi tiết đối tượng, phạm vi nghiên cứu, phương pháp tiếp cận thực nghiệm, bố cục 6 chương của báo cáo tốt nghiệp cùng hệ thống 5 giới hạn kỹ thuật ràng buộc phạm vi triển khai.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp hệ thống kiến thức lý thuyết nền tảng phục vụ thiết kế hệ thống. Nội dung chương bao gồm:

  • Phân tích kiến trúc vi xử lý lõi kép Xtensa 32-bit LX6 của ESP32-WROOM-32E, cấu trúc dao động thạch anh 40 MHz, bộ nhớ Flash QSPI và sơ đồ phân bổ chân GPIO.
  • Giới thiệu cấu trúc phần cứng, vi xử lý ASIC T5L1, bảng phân bổ chân kết nối và thông số kỹ thuật hiển thị của màn hình HMI DWIN DMG80480C043_02WTC.
  • Trình bày nguyên lý các chuẩn kết nối không dây: WiFi (IEEE 802.11 b/g/n), cấu trúc khung truyền vendor action fields và các mô hình kết nối của ESP-NOW, công nghệ điều chế Chirp Spread Spectrum và cấu trúc gói tin (explicit/implicit header) của LoRa cùng thông số kỹ thuật module SX1278.
  • Trình bày nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm và sơ đồ đấu nối của các chuẩn giao tiếp có dây: I2C (đường SCL, SDA), SPI (SCLK, MOSI, MISO, SS), RS485 2 dây bán song công và 4 dây song công toàn phần, đồng hồ đo điện 1 pha Chint DDSU666, chuẩn giao tiếp RS232 (khung truyền dữ liệu nối tiếp không đồng bộ).
  • Khảo cứu nền tảng phần mềm di động: Kiến trúc framework React Native, công cụ quản lý dự án Expo, môi trường thực thi Node.js và hệ sinh thái dịch vụ đám mây Firebase.

Chương 3. Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế kỹ thuật của hệ thống từ sơ đồ khối đến thiết kế chi tiết:

  • Xây dựng sơ đồ khối tổng quát của bộ KIT, sơ đồ khối trạm LoRa, KIT thực hành tổng hợp/ESP-NOW Master và 5 khối nút cảm biến chức năng (RS485, RS232, I2C, 0/4–20mA, 0–10V).
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý (Schematic) và layout mạch in 2 lớp (PCB) kèm mô hình 3D cho từng bo mạch thành phần; xác định điện áp hoạt động và định mức tiêu thụ dòng điện cho các mạch chức năng (từ Bảng 3-1 đến Bảng 3-7).
  • Thiết kế kết cấu cơ khí vỏ hộp bảo vệ: Lập bản vẽ kỹ thuật 2D chi tiết các mặt (trên, dưới, trái, phải, trước, sau) và dựng mô hình 3D cho hộp chứa KIT tổng hợp và hộp chứa trạm LoRa cùng các nút cảm biến.
  • Xây dựng hệ thống lưu đồ giải thuật phần mềm: Lưu đồ chương trình chính của bộ KIT, tác vụ đọc lệnh từ màn hình HMI DWIN, tác vụ truyền nhận ESP-NOW Master/Slave, tác vụ giao tiếp Firebase, tác vụ xử lý nút nhấn, tác vụ đóng cắt relay và tác vụ truyền nhận LoRa giữa trạm thu và các nút.
  • Thiết kế giao diện đồ họa trên màn hình HMI DWIN thông qua công cụ DWIN DGUS V7.6 (tạo bộ nhớ icon/background ICL, tạo font chữ và tệp cấu hình hệ thống) cùng thiết kế cấu trúc các màn hình chức năng của ứng dụng di động React Native.

Chương 4. Thi công mô hình

Chương 4 ghi lại quá trình hiện thực hóa các bản vẽ thiết kế thành sản phẩm vật lý:

  • Thi công phần cứng: Hoàn thiện gia công mạch in PCB, thực hiện hàn cắm linh kiện, kiểm tra thông mạch, xử lý và hiệu chỉnh các lỗi layout phát sinh trong quá trình thử nghiệm mạch thực tế cho KIT tổng hợp, trạm ESP-NOW, trạm LoRa và toàn bộ 5 module nút cảm biến (RS485, RS232, I2C, 0/4–20mA, 0–10V).
  • Thi công phần mềm: Lập trình mã nguồn nạp cho vi điều khiển trên Arduino IDE; nạp bộ nhớ giao diện hoàn chỉnh lên màn hình cảm ứng HMI DWIN qua thẻ nhớ SD; khởi tạo dự án React Native, cấu hình các phương thức đăng nhập và các nhánh dữ liệu Realtime Database/Firestore trên nền tảng Firebase, biên dịch ứng dụng điều khiển trên thiết bị di động.

Chương 5. Kết quả đạt được

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm và kiểm tra chức năng của toàn bộ hệ thống:

  • Hoàn thiện phần cứng bộ KIT thực hành tổng hợp và các trạm chức năng khi cấp nguồn hoạt động ổn định.
  • Vận hành thành công chức năng đóng/ngắt relay, đọc và vẽ đồ thị giá trị nhiệt độ - độ ẩm cảm biến SHT31, hiển thị đầy đủ các thông số điện áp, dòng điện, tần số và công suất tiêu thụ của đồng hồ DDSU666 trên màn hình HMI DWIN và trên ứng dụng di động.
  • Kiểm thử thành công mạng cảm biến LoRa: Trạm chính nhận dữ liệu đầy đủ từ các nút cảm biến I2C, RS485, RS232, 0–10V, 4–20mA và đồng bộ hiển thị lên ứng dụng di động.
  • Kiểm thử giao thức ESP-NOW: Kết nối ổn định giữa Master và các bo Slave, hiển thị danh sách các Slave kết nối trên màn hình DWIN và ứng dụng di động.
  • Đánh giá thực nghiệm truyền thông không dây: Khảo sát khoảng cách truyền tối đa và thống kê tỷ lệ gói tin gửi thành công của giao thức ESP-NOW và LoRa trong hai điều kiện môi trường có vật cản và không có vật cản (số liệu thể hiện qua Bảng 5-1 và Bảng 5-2).

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn diện các mục tiêu đã hoàn thành của đề tài về mặt thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm nhúng và ứng dụng di động; đồng thời chỉ rõ các điểm hạn chế còn tồn tại và đề xuất các hướng phát triển nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

Đồ án đã chế tạo thành công hệ thống phần cứng và phần mềm hoàn chỉnh theo các chỉ tiêu thiết kế đặt ra:

  • Phần cứng hoàn chỉnh: Chế tạo thành công bộ KIT thực hành tổng hợp, mạch trạm thu LoRa và 5 module nút cảm biến ngoại vi (I2C, RS485, RS232, dòng 0/4–20mA, áp 0–10V). Toàn bộ bo mạch được gia công PCB sắc nét, hàn lắp linh kiện vững chắc và được đóng gói trong vỏ hộp cơ khí chuyên dụng kèm bản vẽ kỹ thuật đầy đủ.
  • Khả năng giám sát và điều khiển tại chỗ: Màn hình HMI DWIN 4.3 inch cảm ứng điện dung giao tiếp mượt mà qua chuẩn UART 115200 bps, hiển thị trực quan thông số cảm biến môi trường SHT31, các thông số lưới điện 1 pha đo từ Chint DDSU666 (điện áp, dòng điện, tần số, công suất), hiển thị danh sách các Slave kết nối qua ESP-NOW và hỗ trợ thao tác chạm đóng/ngắt relay trực tiếp.
  • Ứng dụng di động hoàn chỉnh: Ứng dụng React Native vận hành ổn định trên điện thoại thông minh, tích hợp xác thực tài khoản qua email bằng Firebase Authentication, quét/nhập địa chỉ MAC kết nối thiết bị, giám sát dữ liệu cảm biến dạng số và đồ thị thời gian thực, điều khiển relay từ xa qua mạng Internet.
  • Khả năng truyền thông không dây: Thiết lập thành công mạng thu thập dữ liệu đa điểm qua giao thức LoRa 433 MHz và mạng truyền thông ngang hàng tốc độ cao ESP-NOW, ghi nhận dữ liệu truyền nhận chính xác giữa các nút và trạm trung tâm.

2. Đóng góp của đề tài

So với các nghiên cứu và mô hình thí nghiệm sẵn có, đề tài mang lại những đóng góp cụ thể:

  • Tích hợp đồng thời đa dạng các chuẩn giao tiếp công nghiệp có dây (Modbus-RTU RS485, RS232, I2C, dòng 4–20mA, áp 0–10V) và không dây (LoRa, ESP-NOW, WiFi) trên cùng một hệ thống thực hành đồng bộ, giúp người học có cái nhìn toàn diện từ tầng cảm biến, tầng mạng đến tầng ứng dụng.
  • Tối ưu hóa chi phí chế tạo nhờ khai thác dòng màn hình thông minh HMI DWIN (ASIC T5L1) kết hợp vi điều khiển ESP32, cung cấp giải pháp thay thế hiệu quả cho các bộ thực hành công nghiệp đắt tiền.
  • Cung cấp đầy đủ thiết kế mở từ sơ đồ nguyên lý, mạch in PCB, bản vẽ cơ khí 2D/3D đến mã nguồn phần mềm nhúng và ứng dụng di động, tạo tài liệu thực hành hoàn chỉnh cho sinh viên khối ngành kỹ thuật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

Căn cứ vào các giới hạn kỹ thuật được nêu trong báo cáo, đồ án còn một số điểm hạn chế:

  • Kiến trúc phần cứng chỉ tương thích cố định với vi điều khiển ESP32-WROOM-32E, chưa hỗ trợ khả năng thay thế linh hoạt các dòng chip vi điều khiển khác (như STM32, PIC, ARM).
  • Độ chính xác đo lường của các module cảm biến và khối chuyển đổi tín hiệu analog chưa được kiểm định và hiệu chuẩn theo các thiết bị chuẩn trong phòng thí nghiệm.
  • Số lượng thiết bị kết nối đồng thời trong mạng truyền thông không dây mới chỉ dừng lại ở quy mô thử nghiệm 6 thiết bị.
  • Hệ thống thư viện phần mềm lập trình đi kèm chỉ hỗ trợ các tập lệnh chức năng cố định, đòi hỏi người dùng phải tự viết bổ sung mã nguồn nếu muốn mở rộng các tính năng mới.

2. Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo

Từ các hạn chế trên, hướng mở rộng của đề tài bao gồm:

  • Mở rộng khả năng tương thích của bộ KIT với nhiều dòng vi điều khiển công nghiệp khác nhau.
  • Nghiên cứu thuật toán hiệu chuẩn tín hiệu và tích hợp các cảm biến công nghiệp có độ chính xác cao đã qua kiểm định.
  • Nâng cấp mạng truyền thông không dây để hỗ trợ mở rộng số lượng nút cảm biến kết nối đồng thời quy mô lớn hơn.
  • Xây dựng và hoàn thiện bộ thư viện lập trình mở rộng, bổ sung thêm nhiều bài tập thực hành mẫu từ cơ bản đến nâng cao nhằm nâng cao chất lượng phục vụ đào tạo.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng thực tiễn cao đối với:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện - Điện tử, Kỹ thuật Máy tính và IoT: Tài liệu cung cấp hướng dẫn chi tiết từ khâu thiết kế mạch in phần cứng, phương pháp xử lý tín hiệu cảm biến công nghiệp (RS485 Modbus, RS232, 4-20mA, 0-10V) đến kỹ thuật lập trình nhúng trên ESP32.
  • Giảng viên và cán bộ phòng thí nghiệm: Sử dụng làm tài liệu tham khảo để xây dựng giáo trình thực hành, bài tập thí nghiệm môn học IoT và Truyền thông công nghiệp với chi phí đầu tư phần cứng hợp lý.
  • Các kỹ sư phát triển thiết bị nhúng và IoT: Tham khảo cấu trúc tích hợp màn hình HMI DWIN qua DGUS V7.6, mô hình kết hợp mạng LoRa/ESP-NOW với nền tảng đám mây Firebase và quy trình phát triển ứng dụng di động giám sát bằng React Native.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển trung tâm được sử dụng trong bộ KIT là dòng nào và có cấu hình phần cứng ra sao?

Bộ KIT sử dụng vi điều khiển ESP32-WROOM-32E của hãng Espressif Systems. Cấu hình phần cứng bao gồm: vi xử lý lõi kép Xtensa 32-bit LX6 với tốc độ xung nhịp lên đến 240 MHz, bộ nhớ ROM 448 KB, SRAM 520 KB, RTC SRAM 16 KB, bộ nhớ Flash QSPI dung lượng từ 4 MB đến 16 MB, bộ dao động thạch anh 40 MHz, tích hợp kết nối không dây WiFi chuẩn 802.11n (băng tần 2.4 GHz, tốc độ tối đa 150 Mbps) và Bluetooth V4.2 BR/EDR cùng Bluetooth LE. Mạch nạp sử dụng cổng USB Type-C qua chip chuyển đổi giao tiếp CP2102.

2. Màn hình HMI DWIN được lựa chọn có mã sản phẩm gì và giao tiếp với ESP32 như thế nào?

Màn hình HMI được sử dụng có mã sản phẩm DMG80480C043_02WTC, kích thước 4.3 inches, loại tấm nền IPS TFT LCD cảm ứng điện dung với độ phân giải 480×800 pixel và khả năng hiển thị 16.7 triệu màu (24-bit 8R8G8B). Màn hình tích hợp chip xử lý đồ họa ASIC T5L1 và bộ nhớ Flash NOR 16 MB. Màn hình giao tiếp với vi điều khiển ESP32 qua giao thức truyền thông nối tiếp UART (hỗ trợ UART2 và UART4) ở tốc độ truyền baud rate khuyến nghị là 115200 bps và cấp nguồn hoạt động 5VDC.

3. Giao thức ESP-NOW và công nghệ LoRa đóng vai trò gì trong cấu trúc mạng không dây của đồ án?

Trong hệ thống, ESP-NOW đóng vai trò là giao thức truyền thông không dây ngang hàng tầm ngắn tốc độ cao giữa bo KIT chính (Master) và các bo phụ (Slave) với kích thước gói tin tối đa 250 byte mà không cần thông qua router hay thực hiện bắt tay kết nối phức tạp. Trong khi đó, công nghệ LoRa sử dụng module RF SPI LoRa SX1278 (Ai-Thinker Ra-02) hoạt động ở dải tần 433 MHz, sử dụng điều chế Chirp Spread Spectrum để thực hiện việc thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến ở khoảng cách xa, truyền dữ liệu về trạm thu trung tâm trước khi dữ liệu được chuyển tiếp lên đám mây.

4. Hệ thống đo lường và giám sát năng lượng điện trong bộ KIT sử dụng thiết bị gì và kết nối theo chuẩn nào?

Hệ thống sử dụng đồng hồ đo điện 1 pha Chint DDSU666 (cấp chính xác Class 1.0, công suất tiêu thụ dưới 1W, đạt chuẩn IEC62052-11 và IEC62053-21). Thiết bị này kết nối với bo mạch ESP32 thông qua cổng giao tiếp RS485 2 dây bán song công sử dụng giao thức truyền thông công nghiệp Modbus-RTU, cho phép thu thập và hiển thị chính xác 4 thông số điện năng: điện áp, dòng điện, tần số và công suất tiêu thụ.

5. Ứng dụng di động của bộ KIT được xây dựng bằng công nghệ gì và cung cấp những chức năng nào?

Ứng dụng di động được lập trình bằng framework React Native chạy trên môi trường Node.js với công cụ Expo. Ứng dụng kết nối với cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase Realtime Database và Cloud Firestore, đồng thời tích hợp Firebase Authentication để quản lý đăng ký, đăng nhập và khôi phục mật khẩu người dùng. Ứng dụng cho phép cấu hình kết nối mạng bằng mã MAC, giám sát dữ liệu cảm biến nhiệt độ - độ ẩm thời gian thực dưới dạng số và đồ thị, theo dõi các thông số điện áp, dòng điện từ đồng hồ DDSU666 và điều khiển đóng/ngắt các ngõ ra relay từ xa.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công bộ KIT lập trình IoT" của sinh viên Trần Văn Chiến và Phan Thành Việt đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu thiết kế và thi công một hệ thống thực hành IoT đa năng phục vụ đào tạo kỹ thuật. Đề tài đã tích hợp thành công vi điều khiển ESP32-WROOM-32E với màn hình cảm ứng HMI DWIN, làm chủ các giao thức truyền thông không dây LoRa, ESP-NOW và các chuẩn giao tiếp công nghiệp có dây RS485 Modbus, RS232, I2C, 0/4–20mA, 0–10V. Sản phẩm là sự kết hợp đồng bộ giữa phần cứng mạch in tự thiết kế, phần mềm nhúng điều khiển và ứng dụng di động giám sát qua đám mây Firebase, mang lại giá trị học tập và tham khảo kỹ thuật thiết thực cho sinh viên và kỹ sư ngành Tự động hóa và IoT.