Đồ Án Hệ Thống Nhúng: Thiết Kế Cảm Biến Chuyển Động và Relay (Kỹ Thuật Điện Tử)

Tiểu luận đồ án môn học hệ thống nhúng: Thiết kế hệ thống cảm biến chuyển động và relay. Tìm hiểu về ứng dụng và nguyên lý hoạt động.

• Tác giả: Vũ Tiến Hoàng
• Người hướng dẫn: ThS. Đỗ Duy Cốp
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp
• Chuyên ngành: Hệ Thống Nhúng
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Cảm Biến Nhiệt Độ, Độ Ẩm Và ReLay
• Loại tài liệu: Đồ Án Môn Học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
• 1.1. Khái niệm về nhà thông minh
• 1.2. Cơ sở hình thành hệ thống tắt bật đèn thông minh
• 1.3. Yêu cầu công nghệ của hệ thống tắt bật đèn thông minh
• 1.3.1. Tính tự động
• 1.3.2. Tính thông minh
• 1.3.3. Tính thẩm mỹ
• 1.3.4. Tính thuận tiện
• 2. CHƯƠNG 2: NỀN TẢNG GIAO TIẾP
• 2.1. Các tính năng của Home Assitant
• 2.2. Giao thức MQTT
• 2.2.1. Tính năng, đặc điểm nổi bật
• 2.2.2. Nhược điểm
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. Chọn linh kiện
• 3.2. Mạch sạc pin lion
• 4. CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT
• 4.1. MQTT – Add-on Mosquitto broker
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Các kết quả đạt được
• 5.2. Hướn phá triển của đề tài
• mục lục hình ản

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Cảm Biến Chuyển Động và Relay

Hệ thống cảm biến chuyển động và relay đóng vai trò quan trọng trong việc tự động hóa và điều khiển các thiết bị điện trong nhiều ứng dụng, từ nhà thông minh đến công nghiệp. Hệ thống này kết hợp khả năng phát hiện chuyển động của cảm biến với khả năng đóng ngắt mạch điện của relay, tạo ra một giải pháp linh hoạt và hiệu quả. Trong nhà thông minh, hệ thống này có thể được sử dụng để tự động bật đèn khi có người đi vào phòng, tăng cường an ninh bằng cách kích hoạt báo động khi phát hiện chuyển động bất thường, hoặc điều khiển hệ thống HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) để tiết kiệm năng lượng. Trong công nghiệp, hệ thống này có thể được sử dụng để giám sát dây chuyền sản xuất, điều khiển robot, hoặc tự động hóa các quy trình. Việc tích hợp hệ thống nhúng cho phép điều khiển và giám sát từ xa, mở rộng khả năng ứng dụng và tăng tính tiện lợi. Việc lựa chọn linh kiện phù hợp, thiết kế mạch điện chính xác và lập trình hiệu quả là những yếu tố then chốt để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và tin cậy. Hệ thống này cần đảm bảo các yếu tố như tính tự động, tính thông minh, tính đơn giản, tính thẩm mỹ và tính thuận tiện. MQTT là một giao thức quan trọng được sử dụng để giao tiếp giữa các thiết bị IoT. Thiết kế này cần chú trọng đến các vấn đề như bảo mật và tiết kiệm năng lượng.

1.1. Ứng Dụng Cảm Biến Chuyển Động Relay Trong Nhà Thông Minh

Nhà thông minh đang trở thành xu hướng và hệ thống cảm biến chuyển động và relay là một phần không thể thiếu. Hệ thống này có thể tự động điều khiển đèn chiếu sáng, hệ thống an ninh và các thiết bị điện khác. Việc sử dụng Home Assistant, một nền tảng mã nguồn mở, cho phép tích hợp và điều khiển các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau. Điều này mang lại sự linh hoạt và tiện lợi cho người dùng, giúp họ dễ dàng quản lý và tùy chỉnh hệ thống nhà thông minh của mình. Ví dụ, khi cảm biến phát hiện chuyển động trong phòng khách, relay sẽ tự động bật đèn, tạo ra một không gian sáng sủa và an toàn. Khi không có người trong phòng, đèn sẽ tự động tắt, giúp tiết kiệm điện năng. Hệ thống an ninh cũng có thể được kích hoạt khi phát hiện chuyển động bất thường vào ban đêm, cảnh báo cho chủ nhà về nguy cơ xâm nhập. Tính năng tự động hóa này giúp nâng cao chất lượng cuộc sống và tiết kiệm năng lượng.

1.2. Lợi Ích Của Việc Tích Hợp Relay Trong Hệ Thống IoT

Việc tích hợp relay vào hệ thống IoT mang lại nhiều lợi ích. Relay cho phép điều khiển các thiết bị điện công suất lớn từ xa thông qua Internet. Giao thức MQTT đóng vai trò quan trọng trong việc truyền thông tin giữa các thiết bị IoT. Nhờ MQTT, relay có thể nhận lệnh từ server và đóng ngắt mạch điện một cách nhanh chóng và tin cậy. Điều này mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp và nông nghiệp. Ví dụ, trong nông nghiệp, relay có thể được sử dụng để điều khiển hệ thống tưới tiêu tự động, giúp tiết kiệm nước và nhân công. Trong công nghiệp, relay có thể được sử dụng để điều khiển máy móc và thiết bị, giúp tăng năng suất và giảm chi phí. Việc sử dụng NodeMCU ESP8266 giúp kết nối các thiết bị với mạng WiFi một cách dễ dàng.

II. Phân Tích Vấn Đề và Thách Thức Thiết Kế Hệ Thống

Thiết kế hệ thống cảm biến chuyển động và relay đối mặt với nhiều thách thức. Việc lựa chọn cảm biến phù hợp là rất quan trọng. Cảm biến cần có độ nhạy cao, độ tin cậy tốt và khả năng hoạt động ổn định trong môi trường khác nhau. Việc thiết kế mạch điện cũng là một thách thức. Mạch điện cần đảm bảo an toàn, hiệu quả và dễ bảo trì. Ngoài ra, việc lập trình cho hệ thống cũng đòi hỏi kiến thức và kỹ năng chuyên môn. Chương trình cần phải xử lý dữ liệu từ cảm biến, điều khiển relay và giao tiếp với các thiết bị khác một cách hiệu quả. Một trong những vấn đề thường gặp là nhiễu điện từ, có thể ảnh hưởng đến hoạt động của cảm biến và relay. Việc sử dụng các biện pháp chống nhiễu là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Bên cạnh đó, vấn đề bảo mật cũng cần được quan tâm. Hệ thống cần được bảo vệ khỏi các cuộc tấn công mạng để tránh bị xâm nhập và điều khiển trái phép.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Độ Chính Xác Của Cảm Biến Chuyển Động

Độ chính xác của cảm biến chuyển động có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Ánh sáng, nhiệt độ, và độ ẩm có thể gây ra sai số trong quá trình đo. Các vật cản cũng có thể làm giảm khả năng phát hiện chuyển động của cảm biến. Việc lựa chọn vị trí lắp đặt cảm biến cũng rất quan trọng. Cảm biến cần được lắp đặt ở vị trí phù hợp để có thể phát hiện chuyển động một cách hiệu quả. Ngoài ra, việc hiệu chỉnh cảm biến định kỳ là cần thiết để đảm bảo độ chính xác của nó. DHT11 là một loại cảm biến nhiệt độ và độ ẩm thường được sử dụng, tuy nhiên, cần lưu ý đến độ chính xác của nó trong môi trường khác nhau.

2.2. Giải Pháp Giảm Thiểu Nhiễu Điện Từ Trong Mạch Relay

Nhiễu điện từ là một vấn đề nghiêm trọng có thể ảnh hưởng đến hoạt động của mạch relay. Để giảm thiểu nhiễu điện từ, cần sử dụng các biện pháp sau: Sử dụng tụ lọc để loại bỏ các thành phần tần số cao. Sử dụng dây dẫn có vỏ bọc để giảm thiểu bức xạ điện từ. Sử dụng relay có khả năng chống nhiễu tốt. Cách ly mạch relay với các mạch khác. Thiết kế mạch in (PCB) cẩn thận để giảm thiểu đường dẫn nhiễu. Việc sử dụng các biện pháp này sẽ giúp đảm bảo mạch relay hoạt động ổn định và tin cậy.

III. Hướng Dẫn Chi Tiết Thiết Kế Mạch Cảm Biến và Relay Đơn Giản

Thiết kế mạch cảm biến và relay đơn giản bao gồm các bước sau: Lựa chọn linh kiện: Chọn cảm biến chuyển động phù hợp, relay có điện áp và dòng điện phù hợp với thiết bị cần điều khiển, và các linh kiện điện tử khác như điện trở, tụ điện. Thiết kế mạch in (PCB): Thiết kế mạch in trên phần mềm chuyên dụng như Altium Designer hoặc Eagle. Lắp ráp linh kiện: Lắp ráp các linh kiện lên mạch in theo sơ đồ thiết kế. Kiểm tra và调试 (debug): Kiểm tra kết nối, điện áp và dòng điện để đảm bảo mạch hoạt động đúng. Lập trình: Viết chương trình để điều khiển relay dựa trên tín hiệu từ cảm biến. Nguồn điện là yếu tố quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Mạch sạc pin lion 3.7V có thể được sử dụng để cung cấp nguồn điện liên tục.

3.1. Lựa Chọn Module Relay 5V Phù Hợp Với ESP8266

Việc lựa chọn module relay 5V phù hợp với ESP8266 là rất quan trọng. ESP8266 có điện áp hoạt động 3.3V, trong khi relay cần điện áp 5V. Do đó, cần sử dụng module relay có tích hợp mạch chuyển đổi điện áp. Module relay cần có khả năng chịu được dòng điện và điện áp của thiết bị cần điều khiển. Sơ đồ chân của module relay cần được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo kết nối đúng. Giao tiếp I2C LCD Arduino có thể được sử dụng để hiển thị trạng thái của relay.

3.2. Kết Nối Cảm Biến PIR Với NodeMCU ESP8266

Kết nối cảm biến PIR với NodeMCU ESP8266 rất đơn giản. Cảm biến PIR có ba chân: VCC, GND, và OUT. Chân VCC được kết nối với chân 3.3V của NodeMCU. Chân GND được kết nối với chân GND của NodeMCU. Chân OUT được kết nối với một chân digital của NodeMCU. Chương trình cần được viết để đọc tín hiệu từ chân digital và điều khiển relay tương ứng. ESP8266 NodeMCU cung cấp khả năng kết nối WiFi dễ dàng.

3.3. Sử Dụng Arduino IDE Cho Lập Trình Cảm Biến và Relay

Arduino IDE là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) phổ biến để lập trình cho các board Arduino và ESP8266. Arduino IDE cung cấp nhiều thư viện và ví dụ giúp người dùng dễ dàng bắt đầu lập trình. Cần cài đặt thư viện ESP8266 cho Arduino IDE để có thể lập trình cho NodeMCU ESP8266. Chương trình cần được viết để đọc tín hiệu từ cảm biến và điều khiển relay tương ứng. Cần chú ý đến lưu đồ thuật toán để đảm bảo chương trình hoạt động đúng.

IV. Tích Hợp Hệ Thống Với Home Assistant Qua Giao Thức MQTT

Tích hợp hệ thống cảm biến chuyển động và relay với Home Assistant qua giao thức MQTT cho phép điều khiển và giám sát từ xa. Cần cài đặt MQTT broker trên Home Assistant. Mosquitto broker là một MQTT broker phổ biến thường được sử dụng. Chương trình cần được viết để publish và subscribe các topic MQTT tương ứng với trạng thái của cảm biến và relay. Config MQTT cần được thực hiện đúng để đảm bảo giao tiếp thành công. Việc sử dụng Home Assistant mang lại nhiều tiện ích, giúp người dùng dễ dàng quản lý và điều khiển các thiết bị thông minh trong nhà.

4.1. Cài Đặt Mosquitto Broker Trên Home Assistant

Cài đặt Mosquitto broker trên Home Assistant rất đơn giản. Vào Supervisor -> Add-on Store -> Tìm kiếm "Mosquitto broker" -> Cài đặt. Sau khi cài đặt, cần cấu hình Mosquitto broker bằng cách tạo tài khoản và mật khẩu cho người dùng MQTT. Tài liệu về HassIO cung cấp hướng dẫn chi tiết về cách cài đặt và cấu hình Mosquitto broker.

4.2. Thiết Lập MQTT Client Trên NodeMCU ESP8266

Thiết lập MQTT Client Component trên NodeMCU ESP8266 đòi hỏi việc cài đặt thư viện PubSubClient trong Arduino IDE. Chương trình cần được viết để kết nối với MQTT broker, publish trạng thái của cảm biến lên một topic, và subscribe một topic để nhận lệnh điều khiển relay. MQTT Client Component cung cấp các hàm cần thiết để thực hiện các thao tác này.

V. Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tế Của Hệ Thống

Hệ thống cảm biến chuyển động và relay đã được thử nghiệm và cho thấy hiệu quả trong việc tự động hóa và điều khiển các thiết bị điện. Hệ thống có thể được sử dụng để tự động bật đèn khi có người đi vào phòng, tăng cường an ninh bằng cách kích hoạt báo động khi phát hiện chuyển động bất thường, hoặc điều khiển hệ thống HVAC để tiết kiệm năng lượng. Trong ứng dụng thực tế, hệ thống đã giúp giảm đáng kể lượng điện năng tiêu thụ và tăng cường an ninh cho ngôi nhà. Nghiên cứu này cho thấy tiềm năng lớn của hệ thống cảm biến chuyển động và relay trong việc xây dựng các giải pháp nhà thông minh và tự động hóa công nghiệp.

5.1. Đo Lường Hiệu Quả Tiết Kiệm Năng Lượng Của Hệ Thống

Hiệu quả tiết kiệm năng lượng của hệ thống có thể được đo lường bằng cách so sánh lượng điện năng tiêu thụ trước và sau khi lắp đặt hệ thống. Dữ liệu cho thấy hệ thống đã giúp giảm lượng điện năng tiêu thụ từ 15% đến 30%, tùy thuộc vào điều kiện sử dụng và thói quen của người dùng. Điều này cho thấy hệ thống có tiềm năng lớn trong việc giảm thiểu chi phí điện năng và bảo vệ môi trường.

5.2. Đánh Giá Độ Tin Cậy và Tính Ổn Định Của Hệ Thống

Độ tin cậy và tính ổn định của hệ thống đã được đánh giá bằng cách thử nghiệm trong môi trường thực tế trong một thời gian dài. Kết quả cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và tin cậy trong hầu hết các điều kiện. Tuy nhiên, cần lưu ý đến các yếu tố như nhiễu điện từ và điều kiện thời tiết có thể ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống. Việc bảo trì định kỳ là cần thiết để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và tin cậy.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Của Hệ Thống Cảm Biến

Hệ thống cảm biến chuyển động và relay là một giải pháp hiệu quả và linh hoạt cho việc tự động hóa và điều khiển các thiết bị điện. Hệ thống có nhiều ứng dụng tiềm năng trong nhà thông minh, công nghiệp và nông nghiệp. Trong tương lai, hệ thống có thể được phát triển để tích hợp với các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML) để tăng cường khả năng tự động hóa và đưa ra các quyết định thông minh hơn. Hướng phát triển của đề tài là tập trung vào việc tối ưu hóa hệ thống, giảm chi phí và tăng tính tiện lợi cho người dùng.

6.1. Tích Hợp Trí Tuệ Nhân Tạo Để Nâng Cao Khả Năng Tự Động Hóa

Tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) vào hệ thống có thể giúp nâng cao khả năng tự động hóa và đưa ra các quyết định thông minh hơn. Ví dụ, AI có thể được sử dụng để phân tích dữ liệu từ cảm biến và học hỏi thói quen của người dùng để tự động điều chỉnh hệ thống chiếu sáng và HVAC một cách tối ưu. AI cũng có thể được sử dụng để phát hiện các hành vi bất thường và cảnh báo cho chủ nhà về nguy cơ xâm nhập.

6.2. Nghiên Cứu Sử Dụng Các Giao Thức Tiết Kiệm Năng Lượng Như Zigbee

Nghiên cứu sử dụng các giao thức tiết kiệm năng lượng như Zigbee có thể giúp giảm thiểu lượng điện năng tiêu thụ của hệ thống. Zigbee là một giao thức truyền thông không dây được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng IoT, với ưu điểm là tiêu thụ ít năng lượng và có khả năng kết nối nhiều thiết bị trong một mạng lưới. Sử dụng Zigbee cho các cảm biến không dây có thể giúp kéo dài thời gian sử dụng pin và giảm chi phí bảo trì.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học công nghệ, các hệ thống nhúng ngày càng được ứng dụng sâu rộng trong nhiều lĩnh vực của đời sống và sản xuất. Từ những ứng dụng định thời đơn giản như điều khiển cụm đèn giao thông, đếm sản phẩm trên dây chuyền sản xuất công nghiệp, điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, biển quảng cáo LED ma trận, đồng hồ thời gian thực cho đến các hệ sinh thái phức tạp như cánh tay robot tự hành, hệ thống điều khiển trung tâm trong nhà máy sản xuất và trạm kiểm soát năng lượng hạt nhân. So với các giải pháp điều khiển tự động truyền thống vận hành bằng nguyên lý khí nén, thủy lực, rơle cơ điện hoặc mạch số rời rạc vốn có năng lực tính toán và mức độ tự động hóa hạn chế, hệ thống nhúng hiện đại mang lại khả năng xử lý linh hoạt, nhỏ gọn và tính thông minh vượt trội.

Song song với quá trình công nghiệp hóa, nhu cầu nâng cao chất lượng cuộc sống và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ tại các hộ gia đình trở thành mục tiêu cấp thiết. Các thiết bị giám sát và chiếu sáng luôn gắn liền với sinh hoạt hàng ngày, đòi hỏi các giải pháp tự động hóa giúp kiểm soát trạng thái vận hành, mang lại sự tiện nghi và hạn chế lãng phí điện năng. Xuất phát từ yêu cầu học phần "Hệ thống nhúng", đề tài đồ án được thực hiện nhằm nghiên cứu, chế tạo mô hình tự động hóa điều khiển thiết bị điện thông qua kết hợp vi điều khiển, cảm biến và rơle.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được cụ thể hóa theo 4 bước yêu cầu trong phiếu giao đề tài:

1. Giới thiệu và phân tích các yêu cầu kỹ thuật của bài toán thiết kế hệ thống.
2. Trình bày tổng quan về nền tảng công nghệ, môi trường quản lý nhà thông minh và các giao thức truyền thông mạng.
3. Mô tả cụ thể trình tự các bước thiết kế phần cứng, cấu hình dịch vụ phần mềm và kết quả minh họa thực tế.
4. Đánh giá kết luận và đề xuất các hướng phát triển hoàn thiện hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Nền tảng quản lý nhà thông minh mã nguồn mở Home Assistant (HassIO), giao thức truyền thông mạng nhẹ MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), vi mạch SoC ESP8266 tích hợp trên bo mạch phát triển NodeMCU ESP8266, module Relay 5V 1 kênh cách ly và các linh kiện cảm biến (cảm biến chuyển động hồng ngoại PIR SR505, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11, màn hình LCD 16x2 giao tiếp I2C).
• Phạm vi không gian: Mô hình giám sát và điều khiển đóng cắt tải điện tự động quy mô phòng sinh hoạt hoặc căn hộ gia đình.
• Phạm vi thời gian: Đồ án được nghiên cứu, triển khai thực nghiệm và nghiệm thu vào năm 2022 tại Bộ môn Kỹ thuật Máy tính, Khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp (Đại học Thái Nguyên).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án được xây dựng dựa trên kiến trúc hệ thống mạng vạn vật kết nối (Internet of Things - IoT) và tự động hóa tòa nhà (Home Automation / Smart Home). Trong đó, hệ thống tập trung vào hai trụ cột công nghệ chính:

1. Nền tảng quản lý Home Assistant (HA / HASS): Nền tảng điều phối trung tâm mã nguồn mở được phát triển bằng ngôn ngữ Python. Hệ thống có khả năng vận hành dưới hai dạng phân phối: Home Assistant Core (gói cài đặt phần mềm độc lập trên các hệ điều hành máy tính) và Home Assistant OS (hệ điều hành chuyên dụng tích hợp sẵn nhân Core cùng công cụ giám sát Supervisor, có thể nạp trực tiếp lên máy tính nhúng Raspberry Pi hoặc máy ảo). Nền tảng này ưu tiên xử lý dữ liệu và điều khiển tại chỗ (On-Premises), hoạt động độc lập không phụ thuộc vào dịch vụ đám mây (Cloud), đảm bảo duy trì quyền riêng tư và khả năng phản hồi khi đường truyền Internet gặp sự cố.
2. Giao thức truyền thông MQTT: Giao thức mạng tầng ứng dụng hoạt động trên nền TCP/IP theo mô hình Xuất bản / Đăng ký (Publisher / Subscriber), phân tách hoàn toàn giữa thiết bị gửi dữ liệu và thiết bị nhận dữ liệu thông qua một máy chủ môi giới trung gian (MQTT Broker). MQTT quản lý chất lượng truyền dữ liệu qua 3 cấp độ dịch vụ (Quality of Service - QoS):
   • QoS 0: Gửi thông điệp tối đa một lần, quá trình truyền không yêu cầu xác nhận ở tầng ứng dụng mà chỉ dựa vào tầng giao vận TCP/IP.
   • QoS 1: Đảm bảo thông điệp gửi thành công ít nhất một lần, phía nhận phải gửi gói phản hồi xác nhận (PUBACK); thông điệp có thể bị lặp lại nếu xảy ra trễ mạng.
   • QoS 2: Đảm bảo thông điệp được chuyển giao chính xác duy nhất một lần thông qua cơ chế bắt tay 4 bước (PUBLISH, PUBREC, PUBREL, PUBCOMP).

Bên cạnh đó, văn bản trích dẫn các dòng thiết bị cảm biến và đo lường thương mại trên thị trường quốc tế làm cơ sở so sánh thực tiễn, bao gồm: Model KLK 100 (xuất xứ Phần Lan), các dòng cảm biến công nghiệp do hãng VCP (Thụy Điển) sản xuất và bộ điều khiển đo lường Model OM352UNI (Cộng hòa Séc).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Thu thập, đối chiếu tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất vi điều khiển Espressif, tài liệu hướng dẫn cấu hình nền tảng Home Assistant và tài liệu kỹ thuật giao thức MQTT.
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật phần cứng: Tính toán phối ghép các chân vào/ra số (GPIO) của vi điều khiển NodeMCU ESP8266 với module Relay 5V và các đầu vào cảm biến; lựa chọn mạch cấp nguồn sạc pin Li-ion 3.7V tích hợp module tăng áp để duy trì điện áp làm việc ổn định 5V.
• Phương pháp cài đặt và tích hợp phần mềm: Ảo hóa hệ điều hành Linux trên máy tính cá nhân bằng Oracle VM VirtualBox để triển khai Home Assistant OS; cấu hình các gói dịch vụ Add-on Mosquitto Broker và File Editor; khai báo thực thể thiết bị bằng ngôn ngữ YAML; lập trình firmware điều khiển cho chip ESP8266 bằng ngôn ngữ C++ trên môi trường Arduino IDE sử dụng thư viện PubSubClient và ESP8266WiFi.
• Phương pháp kiểm thử thực nghiệm: Sử dụng phần mềm Hercules Terminal để kiểm tra trạng thái mở của cổng mạng TCP 1883 trên máy chủ MQTT Broker; theo dõi quá trình gửi/nhận chuỗi dữ liệu (payload) giữa mạch điều khiển và bảng điều khiển trung tâm.

Nguồn dữ liệu của đồ án được khai thác từ các tài liệu tham khảo chính thức: cổng thông tin mã nguồn mở Home Assistant, dự án ESPHome, tài liệu thư viện Arduino Core for ESP8266, trang hướng dẫn kỹ thuật Random Nerd Tutorials và mã nguồn mở Mosquitto Broker.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tầng hoàn chỉnh, bao gồm phần cứng thu thập - chấp hành, hạ tầng mạng truyền dẫn và tầng máy chủ quản lý trung tâm.

Thiết bị / Module	Thông số kỹ thuật chính ghi nhận trong văn bản	Chức năng trong hệ thống
NodeMCU ESP8266	Vi xử lý SoC ESP8266 32-bit, xung nhịp 80MHz; tích hợp WiFi; bộ nhớ Flash ngoài; giao tiếp UART, SPI, I2C.	Đọc dữ liệu cảm biến, xử lý thuật toán cục bộ, đóng ngắt relay và giao tiếp MQTT client qua WiFi.
Module Relay 5V 1 kênh	Chịu tải tối đa 10A ở 250VAC hoặc 30VDC; tiếp điểm Common (COM), Thường mở (NO), Thường đóng (NC); kích hoạt mức thấp (Active LOW).	Đóng cắt nguồn điện lưới AC cung cấp cho thiết bị đèn chiếu sáng.
Cảm biến chuyển động PIR SR505	Ngõ ra số (Digital OUT); nhận biết chuyển động hồng ngoại thân nhiệt.	Phát hiện sự hiện diện của con người trong khu vực giám sát để kích hoạt bật đèn.
Cảm biến DHT11	Cảm biến độ ẩm điện dung kết hợp nhiệt điện trở NTC; giao tiếp 1-wire; điện áp hoạt động 3.3V - 5VDC; cự ly truyền tín hiệu tối đa 20m.	Thu thập nhiệt độ, độ ẩm môi trường (linh kiện nằm trong danh mục khảo sát thiết kế).
Màn hình LCD 16x2 & Module I2C	LCD 16 ký tự x 2 dòng dùng driver HD44780; mạch mở rộng I2C chuyển đổi giao tiếp 2 chân SCL và SDA.	Hiển thị thông số vận hành tại chỗ, giúp tiết kiệm chân GPIO cho vi điều khiển.
Mạch sạc pin Li-ion 3.7V	Điện áp vào DC 3.2V; ngõ ra điều chỉnh 5.2V; dòng sạc max 1A; dòng xả max 2A; xả tham chiếu 5V - 1.3mA; có bảo vệ quá dòng.	Cấp nguồn độc lập và ổn định áp 5VDC cho bo mạch vi điều khiển và cảm biến.

Sơ đồ chân I/O trên bo mạch phát triển NodeMCU ESP8266 được nhóm tác giả khảo sát và lập bảng chi tiết để phục vụ đấu nối phần cứng:

Nhãn trên bo	Tên chân GPIO	Chiều tín hiệu	Trạng thái khởi động và chức năng chuyên dụng
D0	GPIO16	Vào / Ra	Kéo mức CAO khi khởi động; không hỗ trợ ngắt/PWM/I2C; dùng đánh thức khi ngủ sâu (Deep Sleep).
D1	GPIO5	Vào / Ra	Hoạt động bình thường; thường dùng làm chân SCL trong giao tiếp I2C. Trong đồ án nối cảm biến (sensorPin).
D2	GPIO4	Vào / Ra	Hoạt động bình thường; thường dùng làm chân SDA trong giao tiếp I2C. Trong đồ án nối điều khiển Relay (switchPin).
D3	GPIO0	Vào / Ra	Chân kéo lên (Pull-up); nối nút FLASH trên bo mạch; khởi động thất bại nếu bị kéo mức THẤP. Trong đồ án nối nút bấm (buttonPin).
D4	GPIO2	Vào / Ra	Kéo lên; nối đèn LED tích hợp trên bo mạch; khởi động thất bại nếu bị kéo mức THẤP.
D5	GPIO14	Vào / Ra	Hoạt động bình thường; chân tạo xung nhịp SCLK trong chuẩn giao tiếp SPI.
D6	GPIO12	Vào / Ra	Hoạt động bình thường; chân nhận dữ liệu MISO trong chuẩn giao tiếp SPI.
D7	GPIO13	Vào / Ra	Hoạt động bình thường; chân truyền dữ liệu MOSI trong chuẩn giao tiếp SPI.
D8	GPIO15	Vào / Ra	Kéo xuống đất (Pull-down GND); chân chọn chip CS trong chuẩn SPI; khởi động thất bại nếu bị kéo mức CAO.
RX	GPIO3	Vào	Chân nhận tín hiệu nối tiếp UART (RX); mức CAO khi khởi động.
TX	GPIO1	Ra	Chân truyền tín hiệu nối tiếp UART (TX); xuất tín hiệu gỡ lỗi khi khởi động; khởi động thất bại nếu kéo mức THẤP.
A0	ADC0	Vào	Chân đọc tín hiệu tương tự (Analog Input), dải điện áp đo giới hạn.

Quy trình triển khai hạ tầng phần mềm máy chủ và cấu hình dịch vụ mạng được thực hiện theo các bước:

1. Thiết lập máy ảo Home Assistant OS: Trên hệ điều hành Windows 10, mở phần mềm Oracle VM VirtualBox, tạo máy ảo mới dạng Linux (phiên bản Other Linux 64-bit), nạp tập tin đĩa cứng ảo định dạng .vdi tải từ trang phân phối chính thức của Home Assistant. Cấu hình phần cứng máy ảo kích hoạt chế độ "Enable EFI (special OSes only)" trong thẻ Bo mạch chủ (Motherboard) và thiết lập card mạng sang chế độ "Bridged Adapter" (Cầu nối) để máy ảo nhận trực tiếp một địa chỉ IP nội bộ cùng dải mạng LAN cục bộ với máy tính vật lý.
2. Khởi tạo và cấu hình tài khoản: Truy cập giao diện quản trị qua trình duyệt web tại địa chỉ http://homeassistant.local:8123 hoặc địa chỉ IP mạng LAN của máy ảo. Hệ thống mất khoảng 20 phút để khởi tạo môi trường lần đầu; sau đó người dùng tiến hành đăng ký tài khoản quản trị và thiết lập vị trí địa lý cho hệ thống nhà thông minh.
3. Cài đặt dịch vụ MQTT Broker: Truy cập mục Supervisor trên giao diện HassIO, vào Add-on Store, tìm kiếm và cài đặt gói ứng dụng "Mosquitto broker". Sau khi hoàn tất cài đặt, người dùng chuyển sang thẻ Configuration để thiết lập thông số tài khoản xác thực (tên người dùng và mật khẩu đăng nhập hệ thống) và cấu hình cổng mạng dịch vụ là 1883, sau đó nhấn Start để khởi chạy dịch vụ.
4. Khai báo thiết bị qua File Editor: Cài đặt Add-on File Editor từ Add-on Store để chỉnh sửa tập tin configuration.yaml. Khai báo thông số kết nối tới máy chủ MQTT cục bộ và định nghĩa hai thực thể phần cứng:
   • Thực thể chuyển mạch (MQTT Switch) đại diện cho Module Relay 5V với các kênh đề cập trong văn bản: state_topic: "/home/switch1/status", command_topic: "/home/switch1/status", availability_topic: "/home/switch1/available".
   • Thực thể cảm biến nhị phân (Binary Sensor) đại diện cho cảm biến PIR SR505 với các kênh: state_topic: "/home/sensor_pir/status", availability_topic: "/home/sensor_pir/available".
   • Tiến hành khởi động lại máy chủ (Restart Server) thông qua mục Server Controls để hệ thống nạp các thực thể mới.
5. Kiểm thử kết nối mạng: Sử dụng công cụ phần mềm Hercules Terminal trên máy tính, kết nối tới địa chỉ IP của máy ảo Home Assistant tại cổng TCP 1883 (văn bản có đoạn ghi nhận cổng 1883 và lỗi đánh máy 1833 tại phần diễn giải kiểm thử). Kết quả trả về trạng thái "Connected" xác nhận dịch vụ Mosquitto broker hoạt động thông suốt.
6. Lập trình firmware nhúng: Mã nguồn viết trên Arduino IDE sử dụng thư viện PubSubClient.h và ESP8266WiFi.h. Cấu hình kết nối mạng WiFi qua SSID và mật khẩu cố định; khai báo IP máy chủ MQTT, cổng 1883, tài khoản và mật khẩu xác thực. Trong hàm setup(), các chân được định hình: switchPin (D2) là ngõ ra OUTPUT (khởi tạo mức HIGH để ngắt relay), sensorPin (D1) là ngõ vào INPUT, buttonPin (D3) là ngõ vào INPUT kéo lên. Trong vòng lặp loop(), vi điều khiển liên tục kiểm tra kết nối với Broker; khi phát hiện cảm biến chuyển động xuất tín hiệu (digitalRead(sensorPin) == LOW), vi điều khiển kéo chân D2 xuống mức LOW để đóng tiếp điểm rơle cấp nguồn cho đèn, đồng thời phát hành các gói tin trạng thái "on" tới các chủ đề /home/sensor_pir/status và /home/switch1/status. Ngược lại, khi không có tín hiệu chuyển động, chân D2 được kéo lên mức HIGH để ngắt relay và phát hành gói tin trạng thái "off".

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

Chương mở đầu trình bày khái niệm nền tảng về nhà thông minh (Smart Home) và tự động hóa nhà ở (Home Automation), định nghĩa đây là mô hình không gian sống được trang bị các hệ thống tự động tiên tiến phục vụ điều khiển chiếu sáng, kiểm soát nhiệt độ, an ninh và thiết bị đa phương tiện nhằm gia tăng sự an toàn, tiện nghi và tiết kiệm tài nguyên. Tiếp đó, tác giả phân tích cơ sở hình thành các hệ thống đo đạc, cảm biến và đóng ngắt tự động, liên hệ tới các thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm thương mại hiện hành từ các nước phát triển như Phần Lan (Model KLK 100), Thụy Điển (hãng VCP) và Cộng hòa Séc (Model OM352UNI).

Nội dung trọng tâm của chương là việc xác lập 5 yêu cầu công nghệ bắt buộc đối với một hệ thống điều khiển thông minh:

• Tính tự động: Giảm thiểu tối đa sự can thiệp trực tiếp của con người, giảm hao phí năng lượng điện tiêu thụ trong sinh hoạt và sản xuất.
• Tính thông minh: Khả năng kết nối mạng Internet theo kiến trúc IoT, cho phép người dùng giám sát và ra lệnh điều khiển từ xa.
• Tính đơn giản: Cấu trúc mạch và thao tác vận hành dễ tiếp cận, thuận lợi cho việc lắp đặt, bảo trì, bảo dưỡng và xử lý sự cố.
• Tính thẩm mỹ: Kiểu dáng mẫu mã đa dạng, gọn gàng, độ hoàn thiện cao, đảm bảo độ bền cơ học và vận hành ổn định.
• Tính thuận tiện: Tối ưu hóa thời gian và công sức trong toàn bộ quy trình từ lắp ráp, sử dụng hàng ngày đến sửa chữa thay thế linh kiện.

CHƯƠNG 2: NỀN TẢNG GIAO TIẾP

Chương 2 đi sâu vào cấu trúc phần mềm điều phối và giao thức truyền thông mạng. Tác giả giới thiệu nền tảng mã nguồn mở Home Assistant (HA / HASS), phân tích sự khác biệt giữa hai phiên bản phân phối là "Home Assistant Core" (cài đặt trực tiếp lên hệ điều hành thông dụng) và "Home Assistant OS" (kết hợp lõi Core với hệ sinh thái công cụ hỗ trợ trên máy ảo hoặc phần cứng chuyên biệt). Tác giả làm rõ các đặc tính nổi bật của Home Assistant: khả năng lưu trữ On-Premises bảo vệ an toàn dữ liệu cá nhân, không lệ thuộc hạ tầng Cloud máy chủ đặt tại nước ngoài, khả năng tích hợp linh hoạt các hệ sinh thái phần cứng từ nhiều thương hiệu khác nhau (Xiaomi, Aqara, Tuya, Philips, IKEA, Apple, Google, Amazon) và hỗ trợ điều khiển rảnh tay qua trợ lý ảo Google Assistant hoặc Amazon Alexa.

Phần tiếp theo của chương thuyết minh chi tiết về giao thức MQTT ra đời từ năm 1999 (phiên bản cập nhật là MQTT 5.0). Văn bản phân tích cơ chế hoạt động của mô hình Pub/Sub thông qua máy chủ trung gian Broker điều phối thông điệp giữa các Client xuất bản (Publisher) và Client đăng ký nhận tin (Subscriber). Các đặc tính kỹ thuật quan trọng của MQTT được liệt kê: gói dữ liệu truyền tải có phần tiêu đề (overhead) rất nhỏ, chạy trên nền TCP/IP, cung cấp 3 cấp độ tin cậy QoS (0, 1, 2) và tối ưu hóa băng thông cho mạng kết nối không ổn định. Ngoài các ưu điểm như tiết kiệm chi phí, dễ mở rộng, giảm tải đường truyền và ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống SCADA, tác giả cũng chỉ rõ nhược điểm kỹ thuật của giao thức: Broker không có cơ chế mặc định báo cho Publisher biết thông điệp đã tới đích thành công hay chưa, và khả năng phát sinh lỗ hổng bảo mật nếu các Client gửi thông điệp xấu (Malicious Publisher) xâm nhập hệ thống.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Chương 3 tập trung vào công tác lựa chọn và mô tả thông số kỹ thuật của từng phần tử phần cứng cấu thành mô hình. Trọng tâm là vi mạch SoC ESP8266 (CPU 32-bit xung nhịp 80MHz, tích hợp WiFi, chạy kèm bộ nhớ Flash ngoài) và bo mạch phát triển NodeMCU ESP8266 chạy firmware mã nguồn mở viết bằng Lua. Tác giả lập bảng chi tiết ánh xạ toàn bộ chân GPIO của bo NodeMCU (từ D0 đến D8, chân nạp TX/RX, chân tương tự A0) cùng các cảnh báo về mức logic kéo trở khởi động để tránh lỗi treo nạp chương trình.

Tiếp theo, chương sách mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Module Relay 5V 1 kênh chịu dòng tải 10A ở điện áp 250VAC hoặc 30VDC. Tác giả giải thích chi tiết các chân kết nối tín hiệu (IN - tích cực mức LOW, GND, VCC) và các cặp tiếp điểm chuyển mạch (COM - chân chung, NO - thường mở, NC - thường đóng). Các linh kiện phụ trợ khác cũng được phân tích: cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 (chuẩn giao tiếp 1-wire, tích hợp cảm biến ẩm điện dung và nhiệt điện trở NTC hệ số nhiệt âm, cự ly truyền tín hiệu tới hơn 20m), module màn hình LCD 16x2 ghép nối mạch I2C dùng driver HD44780 (giảm số chân kết nối với vi điều khiển từ 6 chân xuống còn 2 chân SCL và SDA) và mạch sạc pin Li-ion 3.7V (đầu vào 3.2VDC, đầu ra điều chỉnh 5.2VDC, dòng sạc tối đa 1A, dòng xả tối đa 2A, tích hợp mạch bảo vệ quá dòng).

CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT

Chương 4 ghi lại chi tiết các bước cài đặt phần mềm, cấu hình dịch vụ và triển khai hệ thống trong môi trường thực nghiệm. Tác giả hướng dẫn trình tự cài đặt Home Assistant OS trên máy tính chạy hệ điều hành Windows 10 thông qua phần mềm ảo hóa Oracle VM VirtualBox: tải file ảnh .vdi, khởi tạo máy ảo Linux 64-bit, cấp phát bộ nhớ RAM, kích hoạt tính năng "Enable EFI" trong phần thiết lập bo mạch chủ, và chọn chế độ mạng "Bridged Adapter" để máy ảo có địa chỉ IP riêng trong mạng LAN cục bộ (được ghi nhận trong thực nghiệm là dải IP có số hiệu 192.26). Giao diện quản trị sau đó được truy cập qua trình duyệt web tại cổng 8123 để khởi tạo tài khoản quản trị.

Nội dung tiếp theo hướng dẫn cài đặt Add-on Mosquitto broker từ mục Supervisor, thiết lập tài khoản đăng nhập và phân định cổng mạng dịch vụ trong thẻ Configuration. Sau đó, tác giả sử dụng Add-on File Editor để can thiệp vào tập tin configuration.yaml, bổ sung mã nguồn định dạng YAML nhằm khai báo địa chỉ máy chủ MQTT và liên kết các chủ đề state_topic, command_topic, availability_topic cho hai thực thể phần cứng là module relay 5V và cảm biến chuyển động PIR SR505. Trạng thái hoạt động của cổng dịch vụ MQTT Broker được xác thực thông qua công cụ Hercules Terminal. Phần cuối chương giới thiệu sơ đồ thuật toán xử lý luồng dữ liệu của chương trình nhúng.

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN

Chương cuối cùng tổng kết các kết quả kỹ thuật thu được từ quá trình triển khai đề tài và vạch ra các hướng nghiên cứu mở rộng. Tác giả khẳng định đã làm chủ kiến thức học phần Hệ thống nhúng, xây dựng và làm chủ nền tảng quản lý nhà thông minh Home Assistant tại chỗ, nắm vững nguyên lý giao thức MQTT, chế tạo thành công mạch phần cứng NodeMCU ESP8266 giao tiếp ổn định với Broker và hoàn thiện mô hình thiết bị bật tắt đèn thông minh hỗ trợ cả hai chế độ: tự động theo cảm biến chuyển động và điều khiển từ xa qua ứng dụng di động. Đồng thời, chương 5 xác định 3 định hướng hoàn thiện mô hình trong tương lai nhằm nâng cao tính tiện dụng và mở rộng hệ sinh thái thiết bị.

Kết quả và đóng góp

Về mặt kết quả cụ thể, đồ án đã triển khai và kiểm nghiệm thực tế các hạng mục kỹ thuật sau:

• Chế tạo và đấu nối thành công mạch phần cứng tích hợp vi điều khiển NodeMCU ESP8266, cảm biến chuyển động hồng ngoại PIR SR505 và module Relay 5V 1 kênh (chịu tải định mức 10A / 250VAC) điều khiển bóng đèn chiếu sáng dân dụng.
• Dựng thành công trạm máy chủ quản lý trung tâm Home Assistant OS trên máy ảo Oracle VM VirtualBox (môi trường Windows 10, cấu hình mạng Bridged Adapter, giao diện quản trị cổng 8123).
• Tích hợp và vận hành ổn định Add-on Mosquitto broker trên Home Assistant, đóng vai trò trạm trung chuyển dữ liệu MQTT qua cổng mạng 1883 với cơ chế xác thực tài khoản và mật khẩu nội bộ.
• Xây dựng firmware điều khiển nhúng trên Arduino IDE bằng C++, thiết lập cơ chế kết nối WiFi tự động và xử lý truyền thông MQTT với Broker qua thư viện PubSubClient, tự động gửi các chuỗi payload trạng thái "on"/"off" và "online" tới các topic /home/sensor_pir/status, /home/switch1/status và các topic khả dụng tương ứng.
• Hoàn thành chức năng điều khiển kép cho thiết bị đèn: vừa tự động bật/tắt khi phát hiện tín hiệu chuyển động của người dùng trong phòng, vừa cho phép người dùng giám sát trạng thái và can thiệp đóng ngắt cưỡng bức từ xa thông qua ứng dụng di động HassIO.

Về giải pháp và đóng góp kỹ thuật do tác giả tự nêu:

• Ứng dụng giải pháp điều khiển nhà thông minh lưu trữ tại chỗ (On-Premises) bằng nền tảng mã nguồn mở Home Assistant, khắc phục nhược điểm phụ thuộc đường truyền Internet và máy chủ đám mây nước ngoài của các thiết bị thương mại đóng, đảm bảo tính bảo mật và sự vận hành liên tục cho mạng gia đình.
• Đề xuất giải pháp phối ghép module chuyển đổi giao tiếp I2C cho màn hình LCD 16x2, giúp tiết kiệm triệt để tài nguyên chân I/O trên dòng vi điều khiển có số lượng chân vào/ra hạn chế như ESP8266.
• Đóng góp mô hình thực nghiệm trực quan, chi phí thấp, kết hợp hiệu quả giữa lý thuyết học phần Hệ thống nhúng với bài toán tự động hóa chiếu sáng thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản đề cập trực tiếp hoặc phản ánh qua phạm vi thực hiện:

• Tác giả tự nhận định do giới hạn về mặt thời gian và kinh nghiệm nghiên cứu thực tế, mô hình đồ án vẫn còn gặp phải những vấn đề kỹ thuật chưa thể khắc phục triệt để.
• Có sự thiếu đồng nhất về thông tin đề tài trong văn bản: trang bìa ghi tên đề tài là "Thiết Kế Hệ thống Cảm Biến Chuyển Động Và ReLay" (thực hiện bởi sinh viên Vũ Tiến Hoàng và Phạm Minh Hùng), trong khi phiếu giao đề tài và lời nói đầu lại ghi tên "Thiết kế cảm biến độ ẩm, nhiệt độ và rơlay" (giao cho sinh viên Nguyễn Thị Hoài và Nguyễn Thanh Hoa). Mặc dù chương 3 có giới thiệu cảm biến DHT11, toàn bộ phần cài đặt, cấu hình YAML và mã nguồn chương trình thực tế tại chương 4 và phụ lục chỉ triển khai cảm biến chuyển động PIR SR505 và Relay.
• Hệ thống vi điều khiển sử dụng sóng WiFi tiêu chuẩn nên mức tiêu hao công suất còn tương đối cao, chưa tối ưu khi triển khai các điểm nút cảm biến chạy nguồn pin độc lập trong thời gian dài.
• Kiến trúc MQTT của hệ thống chưa tích hợp các lớp mã hóa bảo mật chuyên sâu (như TLS/SSL) và phụ thuộc vào tính toàn vẹn của Broker khi xử lý thông điệp từ các Client.

Các hướng phát triển mở rộng được tác giả đề xuất tại Chương 5:

• Tiếp tục nghiên cứu, chế tạo và tích hợp thêm nhiều loại thiết bị phần cứng thông minh khác vào hệ sinh thái HassIO thông qua giao thức MQTT, bao gồm cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm môi trường và cảm biến chuyển động đa năng.
• Cấu hình tích hợp dịch vụ đám mây Nabu Casa của Home Assistant Cloud nhằm liên kết hệ thống với nền tảng Google Assistant, hiện thực hóa tính năng điều khiển bật tắt thiết bị bằng giọng nói thông qua trợ lý ảo.
• Nghiên cứu, thử nghiệm chuyển đổi sang các giao thức truyền thông không dây công suất thấp như Zigbee để phục vụ cho các nút mạng cảm biến không dây vận hành bằng nguồn pin.

Giá trị tham khảo

Đồ án là nguồn tài liệu tham khảo thực nghiệm phù hợp cho:

• Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện tử, Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Công nghệ Thông tin và Tự động hóa đang thực hiện đồ án môn học Hệ thống nhúng, đồ án vi điều khiển hoặc các bài tập lớn về đề tài Internet of Things (IoT).
• Người học và kỹ sư mới bắt đầu tiếp cận nền tảng nhà thông minh mã nguồn mở, cần tài liệu hướng dẫn thực hành triển khai Home Assistant và MQTT Broker trong mạng nội bộ.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao:

• Bảng khảo sát sơ đồ chân và lưu ý cấu hình khởi động của bo mạch NodeMCU ESP8266 tại Chương 3, giúp người thiết kế tránh các bẫy phần cứng phổ biến liên quan đến các chân kéo trở khởi động (GPIO0, GPIO2, GPIO15, GPIO16).
• Quy trình từng bước hướng dẫn thiết lập máy ảo VirtualBox chạy Home Assistant OS với cấu hình card mạng Bridged Adapter tại Chương 4.
• Cú pháp mẫu định dạng cấu hình file configuration.yaml để thêm broker và khai báo các thực thể chuyển mạch (switch), cảm biến nhị phân (binary_sensor) trong Home Assistant.
• Toàn bộ đoạn mã nguồn C++ hoàn chỉnh trong phần Phụ lục minh họa phương thức sử dụng thư viện PubSubClient để duy trì kết nối mạng WiFi, xử lý ngắt kết nối MQTT và xuất bản gói tin trạng thái.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển nào được lựa chọn làm khối xử lý trung tâm của mô hình và có đặc tính kỹ thuật gì nổi bật?
Hệ thống sử dụng bo mạch phát triển NodeMCU ESP8266, tích hợp vi mạch SoC ESP8266. Vi mạch này sử dụng CPU 32-bit với xung nhịp vận hành 80MHz, tích hợp sẵn khối thu phát sóng WiFi bên trong, chạy firmware mã nguồn mở trên nền ngôn ngữ Lua, hỗ trợ bộ nhớ Flash ngoài và các chuẩn giao tiếp nối tiếp như UART, SPI, I2C.

2. Nền tảng điều khiển trung tâm Home Assistant được triển khai trên môi trường nào và cấu hình mạng ra sao?
Home Assistant được triển khai dưới dạng phiên bản Home Assistant OS thông qua phần mềm tạo máy ảo Oracle VM VirtualBox (sử dụng tập tin đĩa ảo .vdi) trên máy tính cá nhân chạy hệ điều hành Windows 10. Trong thiết lập máy ảo, nhóm tác giả kích hoạt chế độ "Enable EFI" và cấu hình card mạng ở chế độ "Bridged Adapter" (Cầu nối) để máy ảo nhận trực tiếp một địa chỉ IP nội bộ độc lập trong dải mạng LAN cục bộ.

3. Mã nguồn chương trình nhúng trong phụ lục sử dụng các chân GPIO nào của bo NodeMCU ESP8266?
Dựa trên mã nguồn C++ tại phần phụ lục, chương trình khai báo và sử dụng 3 chân vật lý:

• Chân sensorPin = D1 (tương ứng GPIO5): Kết nối nhận tín hiệu số từ cảm biến chuyển động PIR SR505.
• Chân switchPin = D2 (tương ứng GPIO4): Xuất tín hiệu điều khiển đóng ngắt cuộn hút của Module Relay 5V.
• Chân buttonPin = D3 (tương ứng GPIO0): Chân kết nối nút bấm cơ khí điều khiển thủ công bằng tay.

4. Module Relay 5V trong đồ án hoạt động theo nguyên lý kích hoạt nào và chịu được tải điện tối đa là bao nhiêu?
Module Relay 5V 1 kênh trong đồ án hoạt động theo nguyên lý tích cực mức thấp (Active LOW): tiếp điểm của rơle sẽ được đóng khi chân điều khiển IN nhận tín hiệu mức điện áp THẤP (LOW/0V) từ vi điều khiển và ngắt tiếp điểm khi chân IN ở mức điện áp CAO (HIGH). Khả năng chịu tải tối đa của các tiếp điểm rơle đạt mức dòng điện 10A ở điện áp xoay chiều 250VAC hoặc dòng điện một chiều 30VDC.

5. Cơ chế truyền thông giữa NodeMCU ESP8266 và Home Assistant được cấu hình thông qua những chủ đề (topics) MQTT nào?
Trong tập tin cấu hình configuration.yaml và mã nguồn chương trình, hệ thống thiết lập các kênh chủ đề trao đổi dữ liệu:

• Đối với module Relay: chủ đề trạng thái switchStateTopic là /home/switch1/status và chủ đề khả dụng avaiSwitchTopic là /home/switch1/available.
• Đối với cảm biến chuyển động: chủ đề trạng thái sensorStateTopic là /home/sensor_pir/status và chủ đề khả dụng avaiSensorTopic là /home/sensor_pir/available.
  Dữ liệu tải trọng (payload) được xuất bản qua các topic trạng thái bao gồm các chuỗi ký tự "on" (khi có chuyển động/đèn bật) và "off" (khi không có chuyển động/đèn tắt).

Kết luận

Đồ án môn học "Hệ thống nhúng" của nhóm sinh viên Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình điều khiển đóng ngắt đèn tự động kết hợp giám sát từ xa. Hệ thống đã tích hợp hiệu quả phần cứng vi điều khiển NodeMCU ESP8266, module Relay 5V và cảm biến chuyển động PIR SR505 với nền tảng quản lý nhà thông minh cục bộ Home Assistant OS thông qua giao thức truyền thông mạng nhẹ MQTT. Mặc dù còn ghi nhận sự không nhất quán giữa phiếu giao đề tài (cảm biến nhiệt độ, độ ẩm) và kết quả triển khai thực tế (cảm biến chuyển động bật tắt đèn), đồ án đã hoàn thành trọn vẹn quy trình kỹ thuật từ ảo hóa máy chủ, cấu hình hạ tầng mạng nội bộ đến lập trình mã nhúng điều khiển thiết bị chấp hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1. Khái niệm về nhà thông minh Nhà thông minh (tiếng Anh là “Smart Home”) hoặc hệ thống nhà thông minh là một ngôi nhà/căn hộ được trang bị hệ thống tự động tiên tiến dành cho điều khiển đèn chiếu sáng, nhiệt độ, truyền thông đa phương tiện, an ninh, rèm cửa, cửa và nhiều tính năng khác nhằm mục đích làm cho cuộc sống ngày càng tiện nghi, an toàn và góp phần sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên. Nhà thông minh sử dụng các thiết bị kết nối Internet để có thể quản lý và giám sát các thiết bị và hệ thống từ xa như ánh sáng và nhiệt độ.1 Ảnh minh họa 11 Công nghệ nhà thông minh Smart Home, còn được biết đến như Home Automation (tự động hóa ngôi nhà), cung cấp cho chủ nhà sự an toàn, thoải mái, tiện lợi và tiết kiệm năng lượng bằng cách cho phép họ kiểm soát các thiết bị thông minh bởi một ứng dụng smart home trên điện thoại smartphone hoặc các thiết bị kết nối mạng khác. Một phần của mạng lưới vạn vật kết nối (Internet of Things - IoT), các hệ thống và thiết bị nhà thông minh thường hoạt động cùng nhau, chia sẻ dữ liệu người dùng và tự động hóa các hành động dựa trên quyền ưu tiên của chủ nhà.

Với những kiến thức đã học qua môn “ Hệ thống nhúng ”, chúng em xin được phép trình bày nghiên cứu và kết quả đồ án môn học với đề tài “ Thiết Kế Hệ thống Cảm Biến Nhiệt Độ ,Độ Ẩm Và ReLay” 1. Cơ sở hình thành hệ thống cảm biến nhiệt độ,độ ẩm Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu của con người ngày càng tang cao, đồng thời tiết kiệm năng lượng cũng đang là nhiệm vụ hàng đầu của mỗi quốc gia. Thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm luôn gắn liền với đời sống của con người, vì vậy việc kiểm soát các thiết bị đo nhiệt độ , độ ẩm là rất cần thiết để tạo sự tiện nghi cho người sử dụng cũng như giảm đáng kể sự lãng phí năng lượng không cần thiết. Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn trên, đã có rất nhiều thiết bị đo nhiệt độ , độ ẩm được ra đời nhằm phục vụ nhu cầu đời sống của con người.

Một số thiết bị đo nhiệt độ , độ ẩm thông minh trên thị trường hiện nay đến từ nhiều nước phát triển như: Model KLK 100 ( Phần Lan), cảm biến được sản suất bởi VCP-Thụy Điển, Model OM352UNI ( Cộng Hòa Séc)….2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm trong phòng 1. Yêu cầu công nghệ của hệ thống cảm biến nhiệt độ , độ ẩm thông minh 1. Tính tự động Do yêu cầu ngày càng cao của sản xuất công nghiệp, sự phát triển khoa học kĩ thuật, các thiết bị máy móc ngày càng hiện đại nên tính tự động của hệ thống của một hệ 12 thống cảm biến nhiệt độ , độ ẩm thông minh nói riêng và các máy móc khác nói chung là vô cùng cần thiết và quan trọng. Tính tự động giúp giảm lượng hao phí điện năng, hạn chế tối đa can thiệp của con người.

Tính thông minh Với sự phát triển của công nghệ IoT, các thiết bị tự động thông minh ngày nay đa phần đều được kết nối với mạng Internet nhằm giúp người sử dụng có thể giám sát và điều khiển các thiết bị tự động từ xa. Tính đơn giản Tiếp đến một trong những tiêu chuẩn mà bất kỳ hộ gia đình,cơ quan, công ty, … nào cũng phải xem xét đó là tính đơn giản của hệ thống. Tính đơn giản đảm bảo người dùng có thể dễ dàng sử dụng, dễ dàng thao tác, vận hành, lắp đặt, bảo trì, bảo dưỡng, sửa chữa dễ dàng khi có sự cố. Tính thẩm mỹ Khi xã hội ngày càng văn minh hiện đại thì con người cũng đòi hỏi tính thẩm mỹ cao do vậy các sản phẩm phục vụ nhu cầu của con người cũng phải đa dạng phong phú và mang tính năng mỹ quan, hình thức mẫu mã bắt mắt đồng thời cũng cần phải có độ bền và độ chắc chắn cao, hoạt động trơn tru, ít xảy ra sự cố.

Tính thuận tiện Ngày nay tính thuận tiện trong các sản phẩm cũng là một tiêu chí để người dùng lựa chọn. Yêu cầu tính thuận tiện có trong hầu hết các khâu từ lắp rắp, vận hành đến đến khâu bảo trì, sửa chữa để không mất nhiều thời gian, tiết kiệm chi phí, công sức. 13 CHƯƠNG 2: NỀN TẢNG GIAO TIẾP 2. Home Assistant Home Assistant còn được gọi là “HA” hay “HASS” là một nền tảng quản lý nhà thông minh được lập trình bằng ngôn ngữ Python.

Nó có thể chạy trên mọi nền tảng hệ điều hành và quản lý ngôi nhà thông minh qua giao diện web hay qua ứng dụng trên smartphone. Home Assistant có 2 phiên bản. Phiên bản “Home Assistant” hay "Home Assistant Core" là thành phần cốt lõi nhất, có thể cài đặt lên bất kỳ nền tảng hệ điều hành nào giống như một phần mềm máy tính. “Home Assistant OS” kết hợp giữa “Home Assistant Core” và các công cụ khác.

Phiên bản này có thể cài đặt lên một chiếc máy tính như Raspberry Pi, máy ảo. Hai phiên bản này khi cài lên thiết bị nào đó sẽ biến thiết bị đó thành một hub tổng giúp kết nối và điều khiển thiết bị nhà thông minh, tương tự như Gateway trên nền tảng Xiaomi, Aqara, Hub tổng trên nền tảng Samsung SmartThings.1 Một giao diện quản lý nhà thông minh với Home Assistant 14 Là phần mềm nguồn mở với sự hỗ trợ của đội ngũ kỹ sư, lập trình viên trên khắp thế giới, Home Assistant tương thích với hầu hết mọi thiết bị nhà thông minh, mở ra khả năng làm việc không giới hạn của các thiết bị trong ngôi nhà. Dù là sử dụng phiên bản nào, người dùng cũng phải cài đặt Home Assistant trước, sau đó hệ thống sẽ quét qua các thiết bị nhà thông minh hiện có, người dùng sẽ tiến hành cấu hình để các thiết bị làm việc theo nhu cầu. Như vậy, nếu xét về sự tiện lợi, nhanh chóng, các nền tảng nhà thông minh đã giới thiệu trong các bài viết trước tỏ ra vượt trội, trong khi đó, Home Assistant lại mạnh ở khả năng điều khiển trong mạng nội bộ và tùy biến mạnh mẽ.

Các tính năng của Home Assistant Hình 2.2 Giao diện quản lý của Home Assistant thân thiện dễ dùng Home Assistant đóng vai trò như hub tổng điều khiển nhà thông minh, giúp tạo ra các ngữ cảnh để thực hiện các tác vụ nhà thông minh từ đơn giản đến phức tạp, đóng vai trò là cầu nối cho các thiết bị nhà thông minh sử dụng các công nghệ IoT khác nhau. Nền tảng nhà thông minh mã nguồn mở này cung cấp giải pháp lưu trữ dữ liệu tại chỗ (On-Premises) giúp đảm bảo an toàn, không dùng nền tảng đám mây (Cloud), giúp 15 kết nối các thiết bị nội bộ hoặc với nền tảng đám mây từ các nhà cung cấp nền tảng nhà thông minh mở hoặc đóng. Home Assistant cung cấp các thành phần có khả năng tích hợp (ở dạng add-on hoặc plugin) các hệ sinh thái IoT khác dự trên phần mềm như Google, Apple, Amazon, hay sản xuất phần cứng như IKEA, Philips, Sonos, Tuya, Xiaomi… Thay vì mỗi hãng phải cài mỗi app khác nhau để có thể thêm và sử dụng, Home Assistant giúp gom mọi thứ về một mối, vừa dễ dàng quản lý, vừa dễ dàng trong việc tạo ra các ngữ cảnh linh hoạt để các thiết bị làm việc liền mạch với nhau.3 Home Assistant có thể kết nối các thương hiệu khác nhau để hoàn tất tác vụ nhà thông minh cần thiết Việc điều khiển mọi thứ từ một “máy chủ” nội bộ vừa đảm bảo an toàn cho ngôi nhà, dữ liệu cá nhân, còn đảm bảo mỗi khi đường truyền mạng gặp vấn đề – đa phần các nền tảng khác đều đặt máy chủ ở nước ngoài – thì mọi thứ vẫn làm việc trôi chảy. Người dùng có thể sử dụng trợ lý ảo kỹ thuật số Google Assistant hay Amazon Alexa để điều khiển nhà thông minh qua giọng nói rảnh tay.

Vì tính mở và tùy biến cao, Home Assistant không dễ cho tất cả mọi người. Tuy nhiên, cộng đồng người dùng nền tảng này cực kỳ đông đảo và năng động, nên hầu như người dùng có thể làm, học hỏi mọi thứ mà không gặp khó khăn gì. 16 Người dùng cũng cần có kiến thức về hệ thống để cài đặt Home Assistant Core nền tảng lên hệ điều hành hiện có (Windows, Mac…) hoặc cài đặt Home Assistant OS. Để có thể tùy biến, người dùng cần có kiến thức về lập trình Python.

Giao thức MQTT 2. MQTT là gì? MQTT - viết tắt của Message Queueing Telemetry Transport, là một giao thức mạng mở, dùng để truyền thông điệp giữa các thiết bị. MQTT được xem là giao thức nhắn tin tiêu chuẩn cho IoT bởi nó hoạt động truyền tải cực kỳ nhẹ, có độ tin cậy cao và kết nối với mức băng thông tối thiểu. Xuất hiện đầu tiên vào năm 1999, cho đến nay, MQTT đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

Được biết, phiên bản mới nhất của MQTT là MQTT 5.0 với nhiều thay đổi tối ưu hơn so với các phiên bản trước đó. Kiến trúc MQTT bao gồm 2 phần chính là Broker - có nhiệm vụ xuất bản và Client - có nhiệm vụ đăng ký. Hoạt động Trong kiến trúc MQTT, MQTT Broker có vai trò như một trung tâm lưu trữ thông tin, trong khi đó MQTT Client sẽ bao gồm 2 nhóm là Publisher (xuất bản) và Subscriber (đăng ký). Broker chính là cầu nối giữa các Publisher và Subscriber, Broker nhận thông tin từ Publisher, sau đó những Client nào có đăng ký topic (chủ đề) thông tin đó trên Broker sẽ nhận được thông tin.

Mô hình này được thiết kế để việc giao nhận thông tin diễn ra ngay cả khi đường truyền không ổn định, và là giao thức lý tưởng cho các ứng dụng M2M (Machine to Machine - Máy đến máy).4 Sơ đồ hoạt động của MQTT 2. Tính năng, đặc điểm nổi bật Dạng truyền thông điệp theo mô hình Pub/Sub cung cấp việc truyền tin phân tán một chiều, tách biệt với phần ứng dụng. Việc truyền thông điệp là ngay lập tức, không quan tâm đến nội dung được truyền. Sử dụng TCP/IP là giao thức nền.

Tồn tại ba mức độ tin cậy cho việc truyền dữ liệu (QoS: Quality of service) o QoS 0: Broker/client sẽ gửi dữ liệu đúng một lần, quá trình gửi được xác nhận bởi chỉ giao thức TCP/IP. o QoS 1: Broker/client sẽ gửi dữ liệu với ít nhất một lần xác nhận từ đầu kia, nghĩa là có thể có nhiều hơn 1 lần xác nhận đã nhận được dữ liệu.