Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy xu hướng ứng dụng công nghệ 4.0 vào đời sống cũng như các ngành công nghiệp tại Việt Nam. Cùng với sự phổ biến của mạng Internet và các thiết bị di động thông minh, mô hình IoT (Internet of Things – Internet vạn vật) trở thành hướng tiếp cận tất yếu nhằm tự động hóa quá trình điều khiển thiết bị điện, cho phép người dùng quản lý hệ thống từ xa mà không bị giới hạn về thời gian hay không gian địa lý.

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị qua Webserver sử dụng Kit Intel Edison" được thực hiện nhằm nghiên cứu nguyên lý hoạt động, xây dựng giải pháp phần cứng và phần mềm để điều khiển, giám sát thiết bị điện thông qua máy tính nhúng chuyên dụng cho IoT là Intel Edison kết hợp mạch mở rộng Mini Breakout Board.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm 6 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Tìm hiểu tổng quan về cấu tạo phần cứng và chức năng các chân tín hiệu của kit Intel Edison.
  2. Viết chương trình điều khiển kit Intel Edison giao tiếp và điều khiển các thiết bị ngoại vi.
  3. Thiết kế giao diện Webserver phục vụ công tác giám sát và điều khiển hệ thống.
  4. Thực hiện chức năng điều khiển thiết bị trực tiếp từ nút nhấn cơ học.
  5. Thực hiện chức năng điều khiển thiết bị gián tiếp thông qua Webserver.
  6. Cập nhật dữ liệu điều khiển và trạng thái hoạt động của thiết bị lên Webserver.

Nhiệm vụ nghiên cứu được triển khai qua 5 nội dung chính:

  • Nội dung 1: Nghiên cứu tài liệu kỹ thuật về kit Intel Edison và phương thức khởi tạo Webserver.
  • Nội dung 2: Lựa chọn giải pháp thiết kế, thi công mô hình kết nối các module với kit điều khiển, thiết kế sơ đồ nối dây phần cứng.
  • Nội dung 3: Xây dựng lưu đồ giải thuật, lập trình điều khiển hệ thống và thiết kế giao diện điều khiển trên Webserver.
  • Nội dung 4: Thử nghiệm, điều chỉnh tối ưu hóa phần mềm và phần cứng, kiểm tra độ ổn định của toàn hệ thống.
  • Nội dung 5: Biên soạn báo cáo tổng kết đồ án.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống nhúng điều khiển và giám sát 8 thiết bị điện xoay chiều 220V dựa trên nền tảng kit Intel Edison.
  • Phạm vi phần cứng và công suất: Sử dụng kit Intel Edison và Mini Breakout Board làm bộ xử lý trung tâm; điều khiển 8 thiết bị điện AC cấp điện áp 220V (mô hình thử nghiệm sử dụng 8 bóng đèn công suất 220V – 1W); hệ thống được lắp đặt trong mô hình ngôi nhà thử nghiệm.
  • Phạm vi phương thức điều khiển: Tích hợp 3 kênh giao tiếp gồm điều khiển trực tiếp bằng nút nhấn tại chỗ, điều khiển/giám sát từ xa qua trình duyệt Web (Webserver) và qua ứng dụng di động trên hệ điều hành Android.
  • Thời gian thực hiện: Từ ngày 20/03/2018 đến ngày 15/07/2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết kỹ thuật điện tử, viễn thông và công nghệ phần mềm:

  • Máy tính nhúng và hệ điều hành Linux: Định nghĩa hệ thống nhúng theo tiêu chuẩn IEEE; cấu trúc hệ thống điều khiển tích hợp trên một vi mạch (SoC - System-on-a-Chip); nguyên lý hoạt động của hệ điều hành Embedded Linux (phiên bản Yocto Linux được tích hợp sẵn trên bộ nhớ flash của Intel Edison).
  • Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART: Nguyên lý truyền dữ liệu bất đồng bộ với đường phát Tx, đường nhận Rx; cấu trúc khung truyền (Frame) gồm Start bit (mức 0), Data bits (D0 - D7, truyền từ LSB đến MSB), Parity bit (kiểm tra chẵn/lẻ) và Stop bits (mức 1); khái niệm tốc độ truyền Baud rate.
  • Mạng truyền thông và bộ giao thức TCP/IP: Mô hình 4 tầng gồm tầng liên mạng (Network Interface Layer), tầng mạng (Internet Layer với các giao thức IP, ICMP, IGMP), tầng giao vận (Transport Layer với giao thức TCP hướng kết nối và UDP phi kết nối), tầng ứng dụng (Application Layer với HTTP, FTP, SMTP, DNS, DHCP, SNMP); công nghệ mạng cục bộ Ethernet theo chuẩn IEEE 802.3 và cấu trúc khung tin Ethernet (Preamble, SFD, Destination/Source Address, LEN, Data, FCS/CRC).
  • Công nghệ Web Server và Cơ sở dữ liệu: Kiến trúc tương tác Client-Server qua giao thức HTTP; ngôn ngữ lập trình kịch bản phía máy chủ PHP (Hypertext Preprocessor); hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL; mô hình tích hợp LAMP (Linux - Apache - MySQL - PHP).
  • Nền tảng di động Android: Kiến trúc 4 lớp/5 thành phần gồm Nhân Linux (Linux Kernel), Thư viện (Libraries), Android Runtime (máy ảo Dalvik/ART), Android Framework (Activity Manager, Content Providers, Resource Manager, Notifications Manager, View System) và tầng Ứng dụng (Application); môi trường phát triển tích hợp Android Studio kết hợp hệ thống xây dựng Maven/Gradle.
  • Phần cứng chuyên dụng: Cấu trúc vi xử lý Intel Atom 2 nhân 22nm xung nhịp 500MHz, bộ nhớ RAM 1GB LPDDR3, bộ nhớ lưu trữ 4GB NAND Flash; chip không dây Broadcom BCM43340 hỗ trợ Wi-Fi dual-band (2.4GHz và 5GHz chuẩn 802.11 a/b/g/n) và Bluetooth 4.0; cấu tạo bo mạch mở rộng Mini Breakout Board cùng các chân kết nối J17, J18, J19, J20.

Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật triển khai:

  • Phương pháp phân tích tài liệu kỹ thuật: Khảo sát sơ đồ chân, cấu trúc phần cứng và tập lệnh của kit Intel Edison từ nhà sản xuất Intel.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế mạch điện tử: Tính toán thông số linh kiện cho khối công suất relay, tầng đệm transistor, mạch cách ly quang và khối cấp nguồn ổn áp.
  • Phương pháp thiết kế mạch in (PCB Design): Vẽ sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch in 2 lớp (Top layer và Bottom layer) trên máy tính.
  • Phương pháp phát triển phần mềm: Lập trình nhúng điều khiển GPIO trên hệ điều hành Yocto Linux thông qua dòng lệnh SSH (phần mềm PuTTY) và quản lý tệp (WinSCP); lập trình giao diện Web bằng PHP/HTML trên trình soạn thảo Sublime Text; xây dựng ứng dụng di động bằng Java trên Android Studio.
  • Phương pháp thực nghiệm mô hình: Thi công lắp ráp bo mạch phần cứng, kết nối với 8 bóng đèn 220V trên mô hình ngôi nhà thực tế, tiến hành đo kiểm tín hiệu và thử nghiệm đóng ngắt tải.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc khối chức năng hoàn chỉnh, phân tách rõ ràng giữa phần xử lý logic điện áp thấp và phần chấp hành công suất điện áp cao 220V.

Kiến trúc phần cứng và tính toán thiết kế mạch

Sơ đồ khối hệ thống gồm 4 khối chính: Khối nguồn, Khối xử lý trung tâm, Khối nút nhấn và Khối điều khiển thiết bị ngõ ra.

Khối chức năng Linh kiện / Thiết bị chính Thông số kỹ thuật & Vai trò thiết kế
Xử lý trung tâm Kit Intel Edison + Mini Breakout Board CPU 2 nhân Intel Atom 500MHz, 1GB RAM, 4GB Flash; thu nhận tín hiệu từ nút nhấn và Internet, xử lý giải thuật và xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra.
Khối nút nhấn 8 nút nhấn 4 chân + Điện trở kéo xuống Nút nhấn kết nối qua header 10x1; sử dụng điện trở pull-down $10\text{ k}\Omega$ nối GND; điện áp mức cao khi nhấn là $1.8\text{V}$, mức thấp là $0\text{V}$.
Khối điều khiển ngõ ra 8 Relay 12VDC + 8 Opto PC817 + 8 Transistor A1015 + 8 Diode 1N4007 Relay chịu tải tối đa 10A (250VAC/30VDC); Opto PC817 cách ly quang giữa mạch điều khiển và tải 220V; Transistor PNP A1015 đóng ngắt cuộn dây; Diode 1N4007 chống áp ngược.
Khối nguồn Adapter nguồn DC rời Điện áp ngõ vào 100–240VAC (50/60Hz), điện áp ngõ ra ổn định 12VDC – 2A cấp nguồn cho toàn mạch.
Thiết bị ngõ ra 8 bóng đèn điện xoay chiều Điện áp 220VAC, công suất mỗi bóng 1W, bố trí tại các vị trí trên mô hình ngôi nhà.

Các công thức tính toán và lựa chọn thông số mạch chấp hành:

  • Tính toán điện trở cuộn dây Relay: Với điện áp cuộn dây $U_L = 12\text{V}$ và dòng điện cuộn dây $I_L = 30\text{mA}$: $$R_L = \frac{U_L}{I_L} = \frac{12\text{V}}{30\text{mA}} = 400\Omega$$
  • Tính toán hệ số khuếch đại dòng điện Transistor A1015 (với dòng ngõ ra tối đa mỗi chân Edison là $I = 100\text{mA}$): $$h_{FE} \ge \frac{12 \times I_L}{I} = \frac{12 \times 30\text{mA}}{100\text{mA}} = 3.6$$ Nhóm chọn transistor PNP A1015 có $h_{FE} = 100$ và dòng cực góp định mức $I_C = 150\text{mA} > I_L$.
  • Tính toán điện trở định thiên $R_b$ cho cực B của Transistor: $$R_b = \frac{V_{CC} \times h_{FE}}{12 \times I_L} = \frac{12\text{V} \times 100}{12 \times 100\text{mA}} = 10000\Omega = 10\text{ k}\Omega$$
  • Tính toán công suất nguồn cấp: Mỗi chân GPIO của Edison tiêu thụ dòng tối đa $100\text{mA}$. Với 19 chân GPIO được kích hoạt: $$I_{\text{tiêu thụ}} = 19 \times 100\text{mA} = 1900\text{mA} = 1.9\text{A}$$ Do dòng tiêu thụ tính toán là $1.9\text{A}$, nhóm lựa chọn Adapter nguồn 12V – 2A để đảm bảo hệ thống vận hành ổn định.

Bảng phân bổ các chân GPIO của kit Intel Edison Mini Breakout trong đề tài:

STT Ký hiệu trong mạch Chân trên kit Chức năng trong hệ thống
1 A1 0 - GPIO 182 Tín hiệu ngõ vào từ nút nhấn điều khiển thiết bị 1
2 A2 11 - GPIO 115 Tín hiệu ngõ vào từ nút nhấn điều khiển thiết bị 2
3 A3 20 - GPIO 12 Tín hiệu ngõ vào từ nút nhấn điều khiển thiết bị 3
4 A4 36 - GPIO 14 Tín hiệu ngõ vào từ nút nhấn điều khiển thiết bị 4
5 A5 37 - GPIO 40 Tín hiệu ngõ vào từ nút nhấn điều khiển thiết bị 5
6 A6 38 - GPIO 43 Tín hiệu ngõ vào từ nút nhấn điều khiển thiết bị 6
7 A7 45 - GPIO 45 Tín hiệu ngõ vào từ nút nhấn điều khiển thiết bị 7
8 A8 48 - GPIO 15 Tín hiệu ngõ vào từ nút nhấn điều khiển thiết bị 8
9 13 13 - GPIO 182 Tín hiệu ngõ ra kích đóng/ngắt Relay thiết bị 1
10 15 15 - GPIO 165 Tín hiệu ngõ ra kích đóng/ngắt Relay thiết bị 2
11 23 23 - GPIO 110 Tín hiệu ngõ ra kích đóng/ngắt Relay thiết bị 3
12 24 24 - GPIO 124 Tín hiệu ngõ ra kích đóng/ngắt Relay thiết bị 4
13 25 25 - GPIO 129 Tín hiệu ngõ ra kích đóng/ngắt Relay thiết bị 5
14 31 31 - GPIO 44 Tín hiệu ngõ ra kích đóng/ngắt Relay thiết bị 6
15 32 32 - GPIO 46 Tín hiệu ngõ ra kích đóng/ngắt Relay thiết bị 7
16 33 33 - GPIO 48 Tín hiệu ngõ ra kích đóng/ngắt Relay thiết bị 8

Triển khai phần mềm và thi công hệ thống

  1. Thi công mạch in và đóng gói mô hình: Bo mạch in PCB được thiết kế và gia công với kích thước $115 \times 85\text{ mm}$. Toàn bộ mạch điều khiển trung tâm được đóng gói gọn gàng trong hộp bảo vệ và kết nối tới mô hình ngôi nhà hoàn chỉnh gắn 8 bóng đèn 220V.
  2. Lập trình hệ thống trên Intel Edison: Kết nối module thông qua cổng Micro-USB sang UART (J3) và Micro-USB OTG (J16); sử dụng phần mềm PuTTY để đăng nhập SSH cấu hình hệ điều hành Yocto Linux; dùng WinSCP để truyền tải các tệp chương trình thực thi.
  3. Xây dựng Web Server và Cơ sở dữ liệu: Cài đặt môi trường LAMP trực tiếp trên bộ nhớ nhúng của Edison; tạo lập các bảng dữ liệu trong MySQL để lưu trữ thông tin trạng thái on/off và nhật ký thời gian hoạt động; lập trình các trang web điều khiển và giám sát bằng ngôn ngữ PHP kết hợp HTML trên phần mềm Sublime Text.
  4. Xây dựng ứng dụng Android: Lập trình trên môi trường Android Studio, thiết kế giao diện Activity đăng nhập và Activity điều khiển/giám sát 8 thiết bị, biên dịch gói cài đặt APK cài trực tiếp lên điện thoại thông minh để gửi nhận dữ liệu với Web Server qua mạng không dây.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên xu thế phát triển của IoT trong thời đại công nghệ 4.0. Tác giả nêu rõ 6 mục tiêu cần hoàn thành, 5 nội dung nghiên cứu trọng tâm, đồng thời xác định các giới hạn thực hiện của đồ án (sử dụng kit Intel Edison, điều khiển 8 thiết bị điện xoay chiều 220V thông qua 3 phương thức: nút nhấn, Webserver và Smartphone). Cuối chương giới thiệu cấu trúc tổng thể gồm 6 chương của báo cáo.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tổng hợp toàn bộ các cơ sở lý thuyết phục vụ đề tài:

  • Khái niệm hệ thống nhúng, chip SoC và hệ điều hành Linux nhúng.
  • Cấu trúc khung truyền và các thông số kỹ thuật của chuẩn truyền thông nối tiếp bất đồng bộ UART.
  • Tổng quan mạng Internet, kiến trúc 4 tầng của mô hình TCP/IP, các giao thức mạng phổ biến và chuẩn mạng cục bộ Ethernet IEEE 802.3.
  • Cơ chế hoạt động của Web Server, đặc điểm ngôn ngữ lập trình kịch bản PHP và hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL.
  • Lịch sử, kiến trúc 4 tầng của hệ điều hành Android và các tính năng hỗ trợ lập trình của Android Studio.
  • Đặc tả chi tiết phần cứng kit Intel Edison (chip xử lý Intel Atom 500MHz 2 nhân, RAM 1GB, Flash 4GB, Wi-Fi dual-band/Bluetooth BCM43340), sơ đồ khối bo mạch Mini Breakout và bảng chức năng chi tiết các chân tín hiệu từ header J17 đến J20.

Chương 3. Tính toán và thiết kế

Chương 3 đi sâu vào thiết kế kỹ thuật của hệ thống:

  • Thiết lập sơ đồ khối chức năng và làm rõ nhiệm vụ từng khối.
  • Tính toán chi tiết các thông số linh kiện phần cứng: xác định trở kháng cuộn dây relay ($R_L = 400\Omega$), hệ số khuếch đại và điện trở định thiên cực B transistor ($h_{FE} = 100, R_b = 10\text{ k}\Omega$), lựa chọn opto cách ly quang PC817 và diode bảo vệ 1N4007.
  • Tính toán tổng dòng tiêu thụ của 19 chân GPIO ($1.9\text{A}$) để lựa chọn Adapter nguồn 12V – 2A.
  • Lập bảng ánh xạ 16 chân GPIO của kit Intel Edison tương ứng với 8 ngõ vào nút nhấn và 8 ngõ ra điều khiển relay.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh cho toàn bộ hệ thống mạch điều khiển.

Chương 4. Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thi công thực tế và lập trình:

  • Bản vẽ thiết kế mạch in PCB 2 lớp kích thước $115 \times 85\text{ mm}$ (lớp Top, lớp Bottom) và danh sách linh kiện sử dụng.
  • Quy trình lắp ráp, đóng gói bo mạch điều khiển trung tâm và thi công mô hình ngôi nhà thực tế kết nối 8 bóng đèn 220V.
  • Lưu đồ thuật toán điều khiển toàn hệ thống, lưu đồ điều khiển qua nút nhấn và lưu đồ tương tác giữa người dùng với cơ sở dữ liệu.
  • Quy trình cấu hình và lập trình cho kit Intel Edison bằng phần mềm PuTTY và WinSCP.
  • Quy trình tạo project, thiết kế layout và build ứng dụng di động trên Android Studio.
  • Thiết kế cơ sở dữ liệu MySQL và viết mã nguồn các trang web PHP trên Sublime Text; xây dựng tài liệu hướng dẫn vận hành chi tiết.

Chương 5. Kết quả nhận xét đánh giá

Chương 5 công bố các sản phẩm và kết quả thu được sau quá trình thi công:

  • Sản phẩm phần cứng hoàn chỉnh gồm bo mạch điều khiển trung tâm và mô hình ngôi nhà thực nghiệm hoạt động ổn định.
  • Giao diện Website hoàn chỉnh bao gồm: Trang đăng nhập (Login), Trang chủ, Giao diện điều khiển bật/tắt thiết bị, Giao diện hệ thống giám sát hoạt động (hiển thị thời gian và trạng thái thiết bị), Trang thông tin nhóm tác giả.
  • Giao diện ứng dụng di động Android gồm: Màn hình đăng nhập và màn hình điều khiển, giám sát trực quan 8 thiết bị.
  • Đánh giá hệ thống: Hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra ban đầu, hệ thống phản hồi chính xác tín hiệu điều khiển từ cả 3 nguồn (nút nhấn, web, app).

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tóm lược các kết quả đạt được của đồ án, chỉ ra những mặt hạn chế còn tồn tại và đề xuất các định hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai nhằm hoàn thiện mô hình.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính của đồ án

  • Chế tạo thành công bo mạch điều khiển trung tâm tích hợp kit Intel Edison và Mini Breakout Board với kích thước mạch in PCB nhỏ gọn $115 \times 85\text{ mm}$.
  • Điều khiển đóng ngắt và giám sát trạng thái độc lập của 8 thiết bị điện xoay chiều điện áp 220V (thử nghiệm với 8 bóng đèn 220V – 1W) thông qua hệ thống Relay 12VDC có tầng cách ly quang học Opto PC817 an toàn.
  • Cài đặt và vận hành thành công Web Server nội bộ sử dụng PHP và MySQL trực tiếp trên hệ điều hành Yocto Linux của Intel Edison, cung cấp đầy đủ giao diện xác thực người dùng, bảng điều khiển và bảng ghi nhận thời gian hoạt động của thiết bị.
  • Xây dựng hoàn chỉnh ứng dụng di động trên nền tảng Android bằng Android Studio, cho phép người dùng đăng nhập, bật/tắt và theo dõi trạng thái của 8 thiết bị qua kết nối mạng không dây.
  • Đảm bảo tính đồng bộ dữ liệu giữa 3 phương thức điều khiển: Tín hiệu thay đổi trạng thái từ nút nhấn vật lý, từ trang Web hay từ ứng dụng Android đều được cập nhật chính xác lên cơ sở dữ liệu MySQL và hiển thị tức thời trên các giao diện giám sát.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Sử dụng Adapter nguồn rời 12VDC – 2A thay cho việc thiết kế khối nguồn biến áp hạ áp trên bo mạch nhằm giảm thiểu kích thước PCB, tiết kiệm chi phí và đảm bảo nguồn cấp ổn định cho cả vi xử lý lẫn 8 rơ-le.
  • Bố trí mạch cách ly quang Opto PC817 và diode dập xung ngược 1N4007 (chịu áp 700V) để triệt tiêu hoàn toàn nhiễu và điện áp cảm ứng từ cuộn dây relay, bảo vệ an toàn cho các cổng GPIO $1.8\text{V}$ của kit Edison.
  • Thiết kế khối nút nhấn rời kết nối qua header $10 \times 1$ thay vì gắn cố định trên bo mạch trung tâm để dễ dàng kéo dài dây và bố trí công tắc tại các vị trí thực tế trong ngôi nhà.

Đóng góp kỹ thuật tự nêu

  • Tiếp cận và làm chủ quy trình phát triển hệ thống trên nền tảng máy tính nhúng Intel Edison – dòng vi xử lý SoC Intel Atom 2 nhân 22nm kích thước nhỏ bằng thẻ SD nhưng có năng lực tính toán cao và tích hợp sẵn Wi-Fi/Bluetooth.
  • Triển khai thành công toàn bộ hệ thống máy chủ Web và cơ sở dữ liệu LAMP trực tiếp trên tài nguyên nhúng của bo mạch mà không cần sử dụng máy tính PC ngoài làm server trung gian.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Hệ thống mới dừng lại ở mức thử nghiệm trên mô hình với các tải điện trở công suất nhỏ (8 bóng đèn 220V – 1W), chưa kiểm thử với các tải công nghiệp công suất lớn hoặc tải cảm kháng cao.
  • Hệ thống Webserver chủ yếu vận hành tối ưu trong phạm vi mạng cục bộ (mạng LAN nội bộ), chưa được cấu hình tên miền công cộng và cơ chế bảo mật nâng cao để truy cập an toàn từ mạng diện rộng (WAN/Internet) bên ngoài.
  • Hệ điều hành Yocto Linux trên Intel Edison là hệ điều hành nhúng đa nhiệm thông thường, không phải hệ điều hành thời gian thực (RTOS), do đó tốc độ phản hồi có thể chịu ảnh hưởng khi có quá nhiều tiến trình chạy đồng thời.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

  • Mở rộng thêm số lượng cổng I/O để điều khiển nhiều thiết bị hơn và tích hợp thêm các cảm biến môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, báo cháy, cảm biến chuyển động) nhằm tạo thành hệ thống nhà thông minh (Smart Home) toàn diện.
  • Kết nối hệ thống với các nền tảng điện toán đám mây (Cloud Server) để mở rộng khả năng điều khiển, giám sát toàn cầu và lưu trữ dữ liệu lớn (Big Data).
  • Phát triển thêm ứng dụng điều khiển trên nền tảng hệ điều hành iOS nhằm đáp ứng đa dạng các dòng thiết bị di động.
  • Ứng dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) để phân tích thói quen sinh hoạt của người dùng, từ đó tự động lập lịch bật/tắt thiết bị tối ưu hóa việc tiết kiệm điện năng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, giảng viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ Thông tin đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp liên quan đến hệ thống nhúng và IoT.
  • Các kỹ sư phần cứng và lập trình viên nhúng cần tìm hiểu phương pháp thiết kế bo mạch giao tiếp, lập trình điều khiển GPIO trên hệ điều hành Yocto Linux của dòng kit Intel Edison.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo cao trong tài liệu:

  • Phương pháp tính toán và thiết kế chi tiết mạch giao tiếp công suất Relay 220V sử dụng cách ly quang Opto PC817, transistor đệm PNP A1015 và diode bảo vệ 1N4007.
  • Bảng ánh xạ chân tín hiệu và cấu hình GPIO chi tiết trên bo mạch Intel Edison Mini Breakout Board.
  • Quy trình cấu hình hệ thống máy chủ LAMP (Linux, Apache, MySQL, PHP) trực tiếp trên máy tính nhúng để phục vụ các bài toán điều khiển và giám sát qua giao diện Web.
  • Cấu trúc mã nguồn và quy trình xây dựng ứng dụng di động Android kết nối đồng bộ cơ sở dữ liệu qua môi trường Android Studio.

Câu hỏi thường gặp

  1. Kit Intel Edison sở hữu những đặc tính phần cứng nổi bật nào khiến nhóm tác giả lựa chọn cho đề tài IoT này?
    Kit Intel Edison có kích thước siêu nhỏ gọn (gần bằng thẻ nhớ SD), tích hợp vi xử lý 2 nhân Intel Atom 22nm xung nhịp 500MHz, bộ nhớ RAM 1GB LPDDR3, bộ nhớ lưu trữ 4GB NAND Flash cài sẵn Yocto Linux. Ngoài ra, module được tích hợp sẵn chip Broadcom BCM43340 hỗ trợ Wi-Fi dual-band (2.4GHz/5GHz chuẩn 802.11 a/b/g/n) và Bluetooth 4.0 tiết kiệm năng lượng, đáp ứng tốt yêu cầu xử lý cục bộ và kết nối không dây cho các hệ thống IoT.

  2. Mạch điều khiển Relay được thiết kế như thế nào để đảm bảo an toàn cho kit điều khiển trung tâm khi đóng ngắt lưới điện 220V?
    Mạch sử dụng Opto cách ly quang PC817 để ngăn cách hoàn toàn phần tín hiệu điều khiển logic của vi xử lý ($1.8\text{V}$) với phần mạch động lực. Tín hiệu từ Opto kích mở transistor PNP A1015 để đóng ngắt cuộn hút của Relay 12VDC. Đồng thời, một diode 1N4007 (chịu điện áp ngược tối đa 700V) được mắc song song ngược cực với cuộn dây relay nhằm triệt tiêu sức điện động tự cảm ngược, chống quá áp làm hỏng transistor.

  3. Cơ sở tính toán nào được sử dụng để lựa chọn nguồn cung cấp cho toàn bộ hệ thống?
    Mỗi chân GPIO của Intel Edison tiêu thụ dòng điện tối đa $100\text{mA}$. Hệ thống sử dụng tổng cộng 19 chân GPIO, dẫn đến dòng tiêu thụ tối đa của phần điều khiển là $19 \times 100\text{mA} = 1900\text{mA} = 1.9\text{A}$. Kết hợp với yêu cầu nguồn 12VDC cho cuộn dây của 8 Relay, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn Adapter nguồn ngõ ra 12VDC – 2A để cấp nguồn ổn định cho toàn mạch.

  4. Hệ thống hỗ trợ những phương thức điều khiển nào và cơ chế đồng bộ trạng thái hoạt động ra sao?
    Hệ thống hỗ trợ 3 phương thức điều khiển: (1) Trực tiếp bằng 8 nút nhấn vật lý tại mạch; (2) Qua giao diện Website trên máy tính/điện thoại; (3) Qua ứng dụng di động Android chuyên dụng. Khi có thao tác điều khiển từ bất kỳ kênh nào, trạng thái thiết bị sẽ được cập nhật vào cơ sở dữ liệu MySQL trên Webserver nhúng của Edison và đồng bộ hiển thị tức thời trên cả giao diện Web lẫn ứng dụng Android.

  5. Kích thước bo mạch in PCB và quy cách thiết bị đầu ra thực tế trong mô hình là bao nhiêu?
    Bo mạch in PCB của hệ thống được thiết kế và thi công với kích thước $115 \times 85\text{ mm}$. Thiết bị ngõ ra thực tế của mô hình gồm 8 bóng đèn điện xoay chiều công suất 220V – 1W được lắp đặt trong mô hình ngôi nhà thực nghiệm.

Kết luận

Đồ án đã thiết kế và thi công thành công hệ thống điều khiển và giám sát 8 thiết bị điện 220V qua Webserver và ứng dụng di động Android sử dụng máy tính nhúng Intel Edison. Giải pháp phần cứng được tính toán chuẩn xác, tích hợp mạch cách ly quang và bảo vệ chống áp ngược giúp hệ thống vận hành an toàn với lưới điện xoay chiều. Việc triển khai thành công mô hình máy chủ LAMP và ứng dụng Android trên nền tảng nhúng tạo ra một giải pháp IoT hoàn chỉnh, hoạt động đồng bộ và có giá trị ứng dụng cao trong lĩnh vực tự động hóa nhà thông minh.