Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống cảm biến chuyển động và relay

Đồ án nghiên cứu môn học hệ thống nhúng đề tài thiết kế hệ thống cảm biến chuyển động và relay, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• 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 chuyển động và relay cho hệ thống nhúng
• Loại tài liệu: đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• 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
• 3.1.1. Module ESP8266
• 3.1.2. Module Relay
• 3.1.3. Cảm biến chuyển động PIR HC-SR501
• 4. CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT
• 4.1. Home Assistant
• 4.2. MQTT – Add-on Mosquitto broker
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Các kết quả đạt được
• 5.2. Hướng phát triển của đề tài
• LỜI NÓI ĐẦU

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống cảm biến chuyển động và relay

Hệ thống cảm biến chuyển động và relay là một phần quan trọng trong việc tự động hóa các ứng dụng trong nhà thông minh. Cảm biến chuyển động giúp phát hiện sự hiện diện của người hoặc vật thể trong một khu vực nhất định, trong khi relay cho phép điều khiển các thiết bị điện từ xa. Việc tích hợp hai thành phần này tạo ra một hệ thống có khả năng tự động hóa cao, giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao sự tiện nghi cho người sử dụng. Hệ thống này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như an ninh, chiếu sáng thông minh và quản lý năng lượng. Theo nghiên cứu, việc sử dụng cảm biến chuyển động PIR có thể giảm thiểu tiêu thụ điện năng lên đến 30% trong các ứng dụng chiếu sáng. Điều này cho thấy giá trị thực tiễn của hệ thống trong việc tối ưu hóa chi phí và bảo vệ môi trường.

II. Thiết kế hệ thống cảm biến chuyển động

Thiết kế hệ thống cảm biến chuyển động bao gồm việc lựa chọn các linh kiện phù hợp và xây dựng mạch điện. Cảm biến chuyển động HC PIR-SR501 là một trong những lựa chọn phổ biến nhờ vào độ nhạy cao và khả năng phát hiện chuyển động trong khoảng cách lên đến 6 mét. Hệ thống sử dụng mạch điện để kết nối cảm biến với relay, cho phép điều khiển các thiết bị điện như đèn chiếu sáng. Việc thiết kế mạch điện cần đảm bảo tính ổn định và an toàn, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống. Các thông số kỹ thuật của cảm biến như điện áp hoạt động và mức tiêu thụ dòng cũng cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.

III. Ứng dụng của hệ thống trong nhà thông minh

Hệ thống cảm biến chuyển động và relay có thể được tích hợp vào các giải pháp nhà thông minh để nâng cao trải nghiệm người dùng. Với sự phát triển của hệ thống IoT, người dùng có thể điều khiển các thiết bị từ xa thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh. Hệ thống này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn tăng cường an ninh cho ngôi nhà. Ví dụ, khi cảm biến phát hiện chuyển động, nó có thể kích hoạt relay để bật đèn hoặc gửi thông báo đến điện thoại của người dùng. Điều này không chỉ mang lại sự tiện lợi mà còn giúp người dùng cảm thấy an toàn hơn khi không có mặt tại nhà.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Hệ thống cảm biến chuyển động và relay cho hệ thống nhúng không chỉ mang lại lợi ích về mặt tiết kiệm năng lượng mà còn góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống. Việc phát triển các công nghệ mới như giao tiếp không dây và phần mềm nhúng sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc cải tiến và tối ưu hóa hệ thống. Trong tương lai, việc tích hợp thêm các tính năng như điều khiển bằng giọng nói và khả năng học hỏi từ hành vi người dùng sẽ làm cho hệ thống trở nên thông minh hơn. Điều này không chỉ giúp nâng cao trải nghiệm người dùng mà còn tạo ra một môi trường sống an toàn và tiện nghi hơn.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án môn học "Thiết Kế Hệ thống Cảm Biến Chuyển Động Và ReLay" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Vũ Tiến Hoàng (mã sinh viên K195520207026) và Phạm Minh Hùng (mã sinh viên K195520207028), lớp 55ĐVT.01, ngành Kỹ thuật Điện tử, Bộ môn Kỹ thuật Máy tính thuộc Khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, dưới sự hướng dẫn của ThS. Đỗ Duy Cốp vào năm 2022.

Bối cảnh thực tiễn được tác giả đặt ra xuất phát từ sự phát triển và phổ biến của các hệ thống nhúng trong đời sống hiện đại. Các ứng dụng nhúng trải dài từ mức độ đơn giản như điều khiển đèn giao thông định thời, đếm sản phẩm trên dây chuyền sản xuất, điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều, làm biển quảng cáo LED ma trận, đồng hồ thời gian thực; cho tới các hệ thống phức tạp như robot công nghiệp, hệ thống kiểm soát nhà máy và lò phản ứng hạt nhân. Tác giả đối chiếu với các hệ thống tự động hóa truyền thống hoạt động dựa trên nguyên lý khí nén, thủy lực, rơle cơ điện, mạch logic số hoặc cam chốt cơ khí, và chỉ ra rằng các công nghệ cũ này có năng lực xử lý hạn chế và mức độ tự động hóa thấp. Trên cơ sở đó, việc kết hợp hệ thống nhúng với mô hình nhà thông minh (Smart Home / Home Automation) và mạng lưới vạn vật kết nối (IoT) trở thành giải pháp tối ưu nhằm nâng cao tính tiện nghi, mức độ an toàn và hiệu quả sử dụng năng lượng.

Theo phiếu giao đề tài, các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 4 bước cụ thể:

1. Giới thiệu và phân tích các yêu cầu của bài toán thiết kế.
2. Trình bày tổng quan về công nghệ.
3. Mô tả cụ thể trình tự các bước thiết kế, các kết quả minh họa.
4. Kết luận và hướng phát triển.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình tự động hóa việc đóng ngắt thiết bị điện thông qua cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC-SR501, vi điều khiển ESP8266 (phiên bản bo mạch phát triển NodeMCU), module relay 5V 1 kênh, kết hợp cùng nền tảng quản lý nhà thông minh mã nguồn mở Home Assistant và giao thức truyền thông MQTT.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc thiết kế mô hình thử nghiệm điều khiển thiết bị điện (đèn chiếu sáng) ở quy mô cục bộ; triển khai nền tảng máy chủ Home Assistant ảo hóa trên máy tính cá nhân chạy hệ điều hành Windows 10 thông qua phần mềm Oracle VM VirtualBox, giao tiếp trong mạng nội bộ (mạng LAN) tại thời điểm thực hiện năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án tập trung vào các khái niệm và công nghệ nền tảng sau:

• Khái niệm nhà thông minh (Smart Home) và tự động hóa nhà ở (Home Automation): Hệ thống điều khiển chiếu sáng, giám sát thiết bị từ xa qua ứng dụng smartphone trên nền tảng IoT, vận hành theo ngữ cảnh ưu tiên của người dùng.
• Nền tảng Home Assistant (HA / HASS): Nền tảng quản lý nhà thông minh mã nguồn mở được lập trình bằng ngôn ngữ Python, hỗ trợ kiến trúc Core và OS, đóng vai trò hub tổng xử lý dữ liệu tại chỗ (On-Premises) thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào dịch vụ đám mây (Cloud).
• Giao thức truyền thông MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): Giao thức nhắn tin nhẹ theo mô hình Publisher/Broker/Subscriber hoạt động trên nền TCP/IP, hỗ trợ 3 cấp độ dịch vụ (QoS):

Cấp độ QoS	Cơ chế truyền tải	Đặc điểm xác nhận
QoS 0	Gửi tối đa một lần (At most once)	Xác nhận hoàn toàn phụ thuộc vào tầng giao vận TCP/IP, không có gói tin xác nhận riêng từ broker/client.
QoS 1	Gửi ít nhất một lần (At least once)	Phía gửi yêu cầu ít nhất một thông điệp xác nhận từ phía nhận; có khả năng xảy ra hiện tượng trùng lặp bản tin.
QoS 2	Gửi chính xác một lần (Exactly once)	Đảm bảo phía nhận nhận được bản tin đúng một lần thông qua quy trình bắt tay 4 bước (4-step handshake).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được nhóm tác giả áp dụng bao gồm:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Nghiên cứu cấu trúc kiến trúc của giao thức MQTT, cơ chế bảo mật mạng nội bộ, sơ đồ chân và đặc tính dòng/áp của các linh kiện bán dẫn.
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật phần cứng: Khảo sát sơ đồ chân vi điều khiển ESP8266 NodeMCU, tính toán mức logic kích hoạt cho module relay 5V và cấu hình chân xuất tín hiệu của cảm biến PIR HC-SR501.
• Phương pháp thực nghiệm và tích hợp hệ thống phần mềm: Thiết lập môi trường ảo hóa máy chủ Home Assistant trên Oracle VM VirtualBox, cấu hình dịch vụ môi giới Mosquitto Broker, thiết lập giao thức chia sẻ file Samba Share và lập trình cấu hình thực thể qua cú pháp YAML.

Nguồn dữ liệu của đề tài bắt nguồn từ thông số kỹ thuật chính thức của nhà sản xuất phần cứng (Espressif Systems, AI-Thinker), tài liệu hướng dẫn mã nguồn mở từ tổ chức Home Assistant và tài liệu chuẩn hóa giao thức MQTT 5.0.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế dựa trên sự liên kết giữa phần cứng nhúng và phần mềm quản lý máy chủ cục bộ.

1. Thông số kỹ thuật phần cứng lựa chọn

Linh kiện	Thuộc tính kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
Module ESP8266 (NodeMCU)	CPU 32-bit xung nhịp 80 MHz, tích hợp Wi-Fi SoC, hỗ trợ UART/SPI/I2C, chạy firmware NodeMCU dựa trên LUA.	Vi điều khiển trung tâm tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến và phát lệnh điều khiển relay, gửi nhận dữ liệu qua Wi-Fi.
Cảm biến PIR HC-SR501	Góc quét 360 độ hình nón, khoảng cách tối đa 6m; điện áp 3.8V – 5V DC; dòng tiêu thụ $\le$ 50 $\mu$A; nhiệt độ hoạt động 0 – 50°C; kích thước PCB 32x24 mm.	Phát hiện bức xạ hồng ngoại từ chuyển động của thân nhiệt (người, vật); xuất mức logic 3.3V (có chuyển động) và 0V (không có chuyển động).
Module Relay 5V (1 kênh)	Tiếp điểm chịu tải tối đa 10A ở 250VAC hoặc 30VDC; cấu hình chân điều khiển IN, nguồn VCC, đất GND, tiếp điểm COM, NO, NC.	Đóng/ngắt mạch điện công suất cao cho thiết bị tải ngoài; hoạt động theo nguyên lý kích hoạt mức thấp (Active LOW).

Đối với vi điều khiển NodeMCU ESP8266, sơ đồ chân được nhóm tác giả xác định cụ thể theo các trạng thái logic khi khởi động:

• Chân D0 (GPIO16): Mức cao khi khởi động, không hỗ trợ ngắt/PWM/I2C, dùng cho chế độ đánh thức từ ngủ sâu (Deep Sleep).
• Chân D1 (GPIO5) và D2 (GPIO4): Chân I/O thông thường, mặc định được dùng cho SCL và SDA (chuẩn I2C).
• Chân D3 (GPIO0): Có trở kéo lên; nếu bị kéo xuống mức thấp khi khởi động thì vi điều khiển không thể boot bình thường.
• Chân D4 (GPIO2): Kéo lên mức cao, nối với đèn LED tích hợp trên bo mạch; không khởi động được nếu bị kéo xuống mức thấp.
• Chân D5 (GPIO14), D6 (GPIO12), D7 (GPIO13), D8 (GPIO15): Dùng cho giao tiếp SPI (SCLK, MISO, MOSI, CS); chân D8 được kéo xuống GND, nếu bị kéo lên mức cao sẽ gây lỗi boot.
• Chân RX (GPIO3) và TX (GPIO1): Chân truyền nhận nối tiếp UART; TX làm đầu ra gỡ lỗi khi khởi động.
• Chân A0 (ADC0): Đầu vào nhận tín hiệu tương tự (Analog).

Cảm biến PIR HC-SR501 được cấu hình với hai chế độ làm việc:

• Chế độ H (Repeatable trigger): Điện áp ngõ ra V_out tự động giữ nguyên mức 3.3V liên tục cho đến khi vật thể ngừng chuyển động trong vùng quét.
• Chế độ L (Single trigger): Điện áp ngõ ra V_out tự động chuyển về 0V ngay khi hết chu kỳ thời gian trễ, bất kể chuyển động vẫn đang tiếp diễn. Thời gian khởi tạo ban đầu của cảm biến cần khoảng 1 phút để ổn định trạng thái, trong đó module phát tín hiệu mức cao từ 1 đến 3 lần trước khi chuyển sang chế độ chờ.

2. Quy trình cài đặt phần mềm và cấu hình giao tiếp

Quy trình triển khai máy chủ và dịch vụ được thực hiện theo các bước cụ thể:

• Cài đặt Home Assistant OS trên máy ảo Oracle VM VirtualBox: Sử dụng file định dạng .vdi tải từ trang web cài đặt; thiết lập máy ảo loại Linux, phiên bản "Other Linux (64-bit)"; gán dung lượng bộ nhớ RAM phù hợp với cấu hình máy chủ vật lý; trong mục thiết lập hệ thống tích chọn "Enable EFI (special OSes only)"; tại cấu hình mạng chọn "Bridged Adapter" để máy ảo nhận địa chỉ IP cùng lớp mạng LAN vật lý; hệ thống khởi động hoàn tất và truy cập qua cổng 8123 (http://homeassistant.local:8123 hoặc địa chỉ IP mạng nội bộ).
• Cài đặt và cấu hình Mosquitto Broker: Tìm kiếm và cài đặt add-on Mosquitto broker từ mục "Add-on Store"; kích hoạt dịch vụ ("Start"); khởi tạo người dùng user_mqtt trong mục "People" với cấu hình cho phép đăng nhập, giới hạn chỉ đăng nhập từ mạng nội bộ ("Can only login from the local network"), không cấp quyền quản trị ("Administrator"); cấu hình dịch vụ kết nối với tên broker là core-mosquitto, cổng kết nối mặc định Port = 1883, xác thực bằng tài khoản user_mqtt.
• Cấu hình thực thể qua Samba Share và tệp configuration.yaml: Cài đặt add-on Samba Share để chia sẻ thư mục cấu hình qua giao thức SMB; truy cập từ máy tính thông qua Windows File Explorer bằng địa chỉ IP của Home Assistant; sử dụng công cụ Notepad++ mở tệp configuration.yaml để khai báo các thực thể module relay 5V và cảm biến PIR HC-SR501. Việc đồng bộ trạng thái thực hiện qua 3 kênh chủ đề (topics):
  • state_topic: Tiếp nhận trạng thái phản hồi từ phần cứng.
  • command_topic: Gửi lệnh điều khiển đóng/ngắt từ máy chủ xuống phần cứng.
  • availability_topic: Giám sát tình trạng khả dụng/kết nối của thiết bị với các giá trị cấu hình payload_available và payload_not_available.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

Chương này tập trung trình bày khái niệm nền tảng về nhà thông minh (Smart Home / Home Automation) trong bối cảnh mạng lưới IoT. Tác giả phân tích mục tiêu của ngôi nhà thông minh là nâng cao tính tiện nghi, đảm bảo an toàn và tối ưu hóa tài nguyên thông qua khả năng kiểm soát tập trung ánh sáng, nhiệt độ, truyền thông và an ninh. Bốn yêu cầu công nghệ cốt lõi của hệ thống tắt/bật đèn thông minh được nêu trong đề cương bao gồm: tính tự động, tính thông minh, tính thẩm mỹ và tính thuận tiện khi vận hành.

CHƯƠNG 2: NỀN TẢNG GIAO TIẾP

Chương 2 mô tả chi tiết về nền tảng Home Assistant và giao thức truyền thông mạng MQTT:

• Home Assistant: Trình bày sự khác biệt giữa hai phiên bản "Home Assistant Core" (cài đặt trực tiếp dạng ứng dụng máy tính) và "Home Assistant OS" (hệ điều hành đóng gói tích hợp sẵn, cài đặt trên máy ảo hoặc Raspberry Pi). Nền tảng đóng vai trò làm hub trung tâm kết nối các thiết bị đa thương hiệu (Xiaomi, Tuya, Philips, IKEA, Apple, Google, Amazon), lưu trữ dữ liệu tại chỗ (On-Premises), vận hành ổn định trong mạng nội bộ mà không phụ thuộc vào máy chủ điện toán đám mây đặt ở nước ngoài.
• Giao thức MQTT: Phân tích kiến trúc gồm Broker, Publisher và Subscriber; lịch sử phát triển từ năm 1999 đến phiên bản MQTT 5.0; cơ chế đóng gói dữ liệu dung lượng nhỏ giúp tiết kiệm băng thông; 3 cấp độ QoS (0, 1, 2). Đồng thời, tác giả chỉ ra các nhược điểm của MQTT: Broker không tự thông báo trạng thái gửi thông điệp, Publisher và Subscriber không nắm được trạng thái của nhau, và nguy cơ bảo mật từ các Publisher độc hại phát tán bản tin không mong muốn.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Nội dung chương 3 dành cho việc lựa chọn và phân tích thông số kỹ thuật của 3 linh kiện phần cứng chính:

1. Vi điều khiển ESP8266: Cấu trúc SoC 32-bit xung nhịp 80 MHz, cấu hình bộ nhớ Flash ngoài, các dòng module ESP-WROOM-XX (Espressif) và ESP-XX (AI-Thinker); chi tiết bo mạch NodeMCU với firmware LUA, kèm bảng phân tích chức năng toàn bộ các chân GPIO (D0–D8, RX, TX, A0) và cảnh báo về các chân gây lỗi khởi động khi bị kéo sai mức logic.
2. Module Relay 5V: Nguyên lý chuyển đổi dòng điện nhỏ thành lớn, khả năng đóng cắt dòng tải 10A ở 250VAC hoặc 30VDC; giải thích cơ chế kích hoạt mức thấp (Active LOW) qua chân IN; định nghĩa các chân tiếp điểm COM (Common), NC (thường đóng) và NO (thường mở).
3. Cảm biến chuyển động PIR HC-SR501: Nguyên lý phát hiện bức xạ hồng ngoại thụ động; góc quét 360 độ hình nón, cự ly 6m; điện áp 3.8V–5V; dòng tiêu thụ $\le$ 50 $\mu$A; 2 chế độ kích hoạt H và L; hướng dẫn cân chỉnh biến trở độ nhạy, biến trở trễ (30 giây) và khuyến cáo chống nhiễu do gió mạnh hoặc ánh sáng trực tiếp chiếu vào lăng kính.

CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT

Chương 4 ghi lại chi tiết các bước thiết lập môi trường phần mềm:

• Khởi tạo máy ảo Home Assistant trên Oracle VM VirtualBox với tệp .vdi, cấu hình RAM, bật chế độ "Enable EFI" và card mạng "Bridged Adapter".
• Khởi chạy hệ điều hành, truy cập giao diện web qua cổng 8123, khởi tạo thông tin vị trí và tài khoản quản trị.
• Cài đặt add-on Mosquitto broker từ kho Add-on Store, cấu hình dịch vụ chạy tại cổng 1883.
• Tạo tài khoản người dùng user_mqtt với chính sách bảo mật giới hạn trong mạng LAN cục bộ, không cấp quyền Admin.
• Cài đặt tiện ích Samba Share, thiết lập xác thực để truy cập tệp tin hệ thống qua mạng nội bộ từ Windows File Explorer.
• Chỉnh sửa tệp configuration.yaml bằng Notepad++ để khai báo hai thực thể module relay 5V và cảm biến chuyển động PIR thông qua cấu trúc các topic: state_topic, command_topic và availability_topic.

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN

Tóm lược các kết quả đạt được về mặt mô hình phần cứng và cấu hình hệ thống máy chủ; đồng thời chỉ ra định hướng mở rộng của đề tài trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả kỹ thuật, đồ án đã hoàn thành các mục tiêu đề ra trên mô hình thực nghiệm:

• Xây dựng thành công mô hình phần cứng liên kết giữa bo mạch phát triển NodeMCU ESP8266, cảm biến chuyển động hồng ngoại PIR HC-SR501 và module relay 5V 1 kênh chịu tải lên tới 10A (250VAC/30VDC).
• Thiết lập hoàn chỉnh máy chủ điều khiển trung tâm Home Assistant OS trên máy ảo Oracle VM VirtualBox (vận hành qua giao thức mạng Bridged Adapter, cổng dịch vụ 8123).
• Cài đặt và cấu hình thành công dịch vụ Mosquitto Broker trung gian (cổng 1883), thiết lập tài khoản phân quyền bảo mật user_mqtt dành riêng cho việc truyền tin nội bộ.
• Hoàn thiện việc cấu hình tệp configuration.yaml thông qua Samba Share, thiết lập các chủ đề trao đổi dữ liệu MQTT (state_topic, command_topic, availability_topic) để hệ thống tự động nhận tín hiệu phát hiện chuyển động và gửi lệnh đóng/ngắt relay.

Về giải pháp và đóng góp:

• Đề xuất giải pháp quản lý nhà thông minh dựa trên kiến trúc dữ liệu tại chỗ (On-Premises), khắc phục nhược điểm phụ thuộc đường truyền Internet quốc tế và rủi ro rò rỉ dữ liệu cá nhân của các nền tảng đám mây thương mại đóng.
• Tận dụng giao thức MQTT nhẹ, tối ưu hóa băng thông truyền tải và giảm tải xử lý cho vi điều khiển trong các kịch bản M2M (Machine to Machine).
• Cung cấp tài liệu mô tả chi tiết quy trình từng bước từ việc lựa chọn linh kiện, tra cứu sơ đồ chân GPIO đến các thao tác ảo hóa và cấu hình dịch vụ mạng cho sinh viên ngành kỹ thuật điện tử.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo tự nhận xét của nhóm tác giả trong phần Lời nói đầu và nội dung văn bản:

• Hạn chế: Do giới hạn về mặt thời gian và kinh nghiệm thực tế, mô hình hệ thống vẫn còn gặp phải những vấn đề kỹ thuật chưa thể khắc phục triệt để. Cụ thể, hệ thống mới chỉ dừng lại ở quy mô thử nghiệm hai thực thể đơn lẻ trong phòng thí nghiệm; cảm biến PIR HC-SR501 vẫn có nguy cơ phát sinh tín hiệu nhiễu khi vận hành ở môi trường có luồng gió mạnh hoặc ánh sáng chiếu trực tiếp vào bề mặt thấu kính; hệ thống phụ thuộc vào việc duy trì máy chủ ảo hóa trên máy tính cá nhân.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Tiếp tục tối ưu hóa độ ổn định của mạch phần cứng và thuật toán điều khiển; mở rộng tích hợp thêm các cảm biến môi trường khác (nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng) và các thiết bị chấp hành đa dạng; chuyển đổi máy chủ Home Assistant từ máy ảo máy tính sang các phần cứng nhúng độc lập (như Raspberry Pi) nhằm đảm bảo hệ thống vận hành liên tục 24/7.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện tử, Kỹ thuật Máy tính, Điện tử Viễn thông hoặc Công nghệ Thông tin đang thực hiện đồ án môn học Hệ thống nhúng, đồ án chuyên ngành IoT hoặc đề tài tốt nghiệp liên quan đến tự động hóa tòa nhà.

Những nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

• Bảng tổng hợp chức năng, chế độ kéo và lưu ý an toàn khởi động của các chân GPIO trên bo mạch NodeMCU ESP8266.
• Quy trình cài đặt máy ảo Home Assistant trên Oracle VM VirtualBox với cấu hình chuẩn (bật EFI, card mạng Bridged Adapter).
• Phương pháp cấu hình dịch vụ Mosquitto Broker, phân quyền tài khoản giới hạn mạng nội bộ và cấu trúc khai báo thực thể MQTT chuẩn cú pháp YAML trong tệp configuration.yaml.

Câu hỏi thường gặp

1. Module Relay 5V trong đồ án được điều khiển theo mức logic nào và chân IN hoạt động ra sao?

Module relay 5V 1 kênh trong đồ án hoạt động theo nguyên lý kích hoạt mức thấp (Active LOW). Khi chân điều khiển IN được vi điều khiển kéo xuống mức điện áp LOW (0V), cuộn dây relay sẽ được kích hoạt cấp điện để đóng hoặc mở tiếp điểm tải ngoài. Ngược lại, khi chân IN ở mức điện áp HIGH, relay sẽ ngừng hoạt động.

2. Cảm biến chuyển động PIR HC-SR501 có các thông số kỹ thuật và chế độ kích hoạt nào?

Cảm biến PIR HC-SR501 có góc quét 360 độ hình nón với khoảng cách bắt tối đa 6m; điện áp hoạt động từ DC 3.8V đến 5V; mức tiêu thụ dòng cực thấp ($\le$ 50 $\mu$A); nhiệt độ làm việc từ 0 đến 50°C; kích thước mạch 32x24 mm. Cảm biến có 2 chế độ kích hoạt: Chế độ H (giữ nguyên điện áp ra 3.3V cho tới khi hết chuyển động) và Chế độ L (tự động đưa điện áp ra về 0V sau thời gian trễ dù vật thể vẫn chuyển động). Thời gian trễ mặc định là 30 giây và có thể điều chỉnh qua biến trở.

3. Tại sao khi tạo máy ảo Home Assistant trên VirtualBox phải bật tính năng "Enable EFI" và chọn "Bridged Adapter"?

Tính năng "Enable EFI (special OSes only)" trong tab Motherboard bắt buộc phải được kích hoạt để phân vùng khởi động của tệp đĩa ảo Home Assistant OS (.vdi) có thể khởi động bình thường. Thiết lập mạng "Bridged Adapter" giúp máy ảo kết nối trực tiếp vào mạng vật lý của máy chủ, từ đó được bộ định tuyến cấp một địa chỉ IP riêng biệt cùng lớp mạng LAN cục bộ, cho phép các thiết bị IoT khác (như ESP8266) kết nối trực tiếp đến Home Assistant.

4. Tài khoản user_mqtt trong Home Assistant được thiết lập với những ràng buộc bảo mật nào?

Khi khởi tạo tài khoản user_mqtt trong mục Settings $\rightarrow$ People để quản lý các bản tin MQTT, tác giả đã tích chọn tùy chọn "Can only login from the local network" để giới hạn việc đăng nhập chỉ được phép thực hiện từ mạng LAN nội bộ nhằm tăng tính an toàn, đồng thời không tích chọn mục "Administrator" nhằm hạn chế quyền hạn của tài khoản, tránh việc dịch vụ chạy dưới đặc quyền quản trị cao nhất.

5. Cấu trúc khai báo thực thể trong tệp configuration.yaml gồm những tham số topic chính nào?

Mỗi thực thể (cảm biến PIR và module relay) khi khai báo qua giao thức MQTT trong tệp configuration.yaml sử dụng 3 dòng thông số kênh chủ đề chính: state_topic: (kênh nhận dữ liệu trạng thái của thực thể), command_topic: (kênh gửi lệnh điều khiển trạng thái) và availability_topic: (kênh kiểm tra tình trạng kết nối khả dụng của thiết bị thông qua các giá trị payload_available và payload_not_available).

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết Kế Hệ thống Cảm Biến Chuyển Động Và ReLay" của nhóm sinh viên Vũ Tiến Hoàng và Phạm Minh Hùng đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa điều khiển thiết bị điện thông qua việc tích hợp vi điều khiển NodeMCU ESP8266, cảm biến chuyển động PIR HC-SR501 và module relay 5V. Hệ thống xây dựng hoàn chỉnh kiến trúc điều khiển tại chỗ (On-Premises) trên nền tảng máy chủ Home Assistant kết hợp dịch vụ môi giới Mosquitto Broker theo giao thức MQTT chuẩn công nghiệp. Dù quy mô thử nghiệm còn ở mức mô hình phòng thí nghiệm và còn những hạn chế về độ ổn định môi trường, đồ án đã cung cấp một tài liệu kỹ thuật có cấu trúc rõ ràng, minh chứng tính khả thi và tiềm năng ứng dụng của các hệ thống nhúng trong lĩnh vực nhà thông minh.

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 8 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.

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 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.