Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển các thiết bị điện dân dụng qua mạng 3G" được thực hiện bởi sinh viên Lâm Thế Hiển (MSSV: 11141358, Lớp 11141CLDT1, Khóa 2011), dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Văn Hiệp tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Thời gian thực hiện từ ngày 01/10/2015 đến ngày 14/01/2016.

Trong thực tế quản lý thiết bị điện tại gia đình, văn phòng và xưởng sản xuất, phần lớn thiết bị được điều khiển và giám sát trực tiếp tại vị trí lắp đặt. Khi người dùng không có mặt tại hiện trường, nhu cầu điều khiển và theo dõi trạng thái thiết bị từ xa qua mạng không dây trở nên cấp thiết. Xuất phát từ thực tiễn đó, tác giả lựa chọn giải pháp kết hợp hệ thống vi xử lý, module viễn thông SIM900 truyền nhận dữ liệu qua GPRS/3G đến máy chủ trung gian và xây dựng ứng dụng điều khiển trên điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm 6 mục tiêu cụ thể:

  1. Thiết kế bộ điều khiển đơn giản, gọn nhẹ, có tính thẩm mỹ; dễ dàng sửa chữa và thay thế linh kiện khi xảy ra sự cố trong quá trình vận hành.
  2. Xây dựng phần mềm điều khiển trên hệ điều hành Android với giao diện trực quan, thân thiện và hỗ trợ nhiều dòng thiết bị di động khác nhau.
  3. Cho phép điều khiển bật và tắt các thiết bị điện từ xa thông qua giao diện ứng dụng Android.
  4. Thiết kế và thi công mạch phần cứng có khả năng điều khiển trực tiếp ngõ ra công suất thông qua nút nhấn cơ học tại chỗ trong trường hợp module SIM không thể kết nối với vi điều khiển hoặc mất kết nối mạng.
  5. Đảm bảo hệ thống có khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện thực tế.
  6. Tối ưu hóa quy trình thiết kế và thi công nhằm giảm giá thành sản phẩm.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 4 nhóm công việc chính:

  • Nghiên cứu vi xử lý PIC (trọng tâm là vi điều khiển PIC16F877A) và viết chương trình nhúng.
  • Nghiên cứu module truyền thông SIM900, tập lệnh điều khiển AT Commands và phương thức truyền nhận dữ liệu với máy chủ web.
  • Nghiên cứu cấu hình máy chủ Web server, lập trình ngôn ngữ PHP và khởi tạo cơ sở dữ liệu MySQL.
  • Nghiên cứu lập trình ứng dụng trên hệ điều hành Android bằng ngôn ngữ Java qua công cụ Android Studio.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Vi điều khiển PIC16F877A, module SIM900/SIM900A, tập lệnh AT Command, hệ điều hành Android, ngôn ngữ Java, Android Studio, ngôn ngữ PHP, hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL, linh kiện bán dẫn công suất (Triac BTA16, Opto MOC3020).
  • Phạm vi nghiên cứu phần cứng: Hệ thống tập trung điều khiển tải điện dân dụng xoay chiều điện áp 220VAC với 3 ngõ ra cố định; trang bị hệ thống nút nhấn chuyển đổi trạng thái trực tiếp; tích hợp hệ thống đèn LED hiển thị trạng thái nguồn, trạng thái kết nối mạng của module SIM và trạng thái đóng/ngắt của từng ngõ ra tải.
  • Phạm vi nghiên cứu phần mềm: Ứng dụng điều khiển được thiết kế hoạt động trên các thiết bị di động chạy hệ điều hành Android từ phiên bản 4.1 (Jelly Bean) trở lên; không hỗ trợ các nền tảng di động khác như iOS, BlackBerry OS, Windows Phone hay Symbian.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng tổng hợp nền tảng lý thuyết từ kỹ thuật điện tử, viễn thông di động, kiến trúc máy chủ web và kỹ thuật lập trình phần mềm di động.

Về mặt lý thuyết phần cứng và truyền thông:

  • Vi điều khiển trung tâm: Sử dụng PIC16F877A thuộc họ vi điều khiển 8-bit RISC của Microchip với tập lệnh 35 lệnh độ dài 14-bit, tốc độ thực thi tối đa 20 MHz (chu kỳ lệnh 200ns), bộ nhớ chương trình Flash 8K word, RAM 368 byte, EEPROM 256 byte và 33 chân vào/ra (I/O).
  • Truyền thông mạng di động: Khai thác dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp GPRS (tốc độ truyền dữ liệu 56 đến 114 kbps) và mạng 3G tốc độ cao (HSDPA lên tới 7,2 Mbps) thông qua module viễn thông SIM900A. SIM900A hoạt động trên hai băng tần GSM/GPRS 900/1800MHz, giao tiếp nối tiếp UART với vi điều khiển bằng tập lệnh tiêu chuẩn AT Command (GSM 07.05, GSM 07.07) và các lệnh mở rộng truyền dữ liệu IP.
  • Mạch công suất: Đóng ngắt thiết bị điện xoay chiều AC bằng Triac BTA16, kết hợp tầng cách ly quang học bảo vệ vi điều khiển sử dụng IC Opto-Triac MOC3020 (dòng kích LED hồng ngoại 15–30 mA, điện áp ngưỡng 1,15V–1,5V).

Về mặt kiến trúc phần mềm và dịch vụ web:

  • Mô hình truyền thông Client/Server: Sử dụng máy chủ web trung gian chạy Apache, kịch bản xử lý PHP và hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL. Thiết bị Android gửi yêu cầu cập nhật trạng thái đóng/ngắt đến máy chủ; vi điều khiển gửi lệnh HTTP/TCP thông qua module SIM900A để truy vấn trạng thái từ CSDL và điều khiển ngõ ra rơ-le/Triac tương ứng.
  • Phát triển ứng dụng di động: Lập trình bằng ngôn ngữ Java trên nền tảng Android Studio, xử lý vòng đời ứng dụng (Activity, Service), giao tiếp mạng ngầm để liên tục đồng bộ dữ liệu.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai theo quy trình thực nghiệm kỹ thuật gồm 13 bước tuần tự:

  1. Nghiên cứu tài liệu kỹ thuật và tập lệnh AT Command của module SIM900.
  2. Tìm hiểu kiến trúc, phiên bản và các giới hạn phần cứng của hệ điều hành Android.
  3. Thu thập và phân tích tài liệu chuyên khảo về Android.
  4. Cài đặt các công cụ lập trình, môi trường phát triển ứng dụng di động (Android Studio).
  5. Xây dựng các ứng dụng Android thử nghiệm cơ bản để kiểm tra thành phần giao diện và dịch vụ.
  6. Thiết kế phác thảo giao diện người dùng và định hình các chức năng điều khiển.
  7. Học cú pháp lập trình PHP và triển khai cấu trúc Web server trung gian.
  8. Nghiên cứu phương thức kết nối, trao đổi dữ liệu giữa Android và Web server qua giao thức HTTP.
  9. Lập trình hoàn thiện ứng dụng điều khiển trên thiết bị di động.
  10. Chạy mô phỏng phần mềm trên máy tính để phát hiện lỗi cú pháp và lỗi logic.
  11. Thiết kế sơ đồ nguyên lý, vẽ mạch in và thi công hoàn thiện phần cứng.
  12. Cài đặt ứng dụng lên thiết bị thật chạy Android 4.1+, kết nối phần cứng với mạng viễn thông thực tế để kiểm tra khả năng tương thích và độ trễ.
  13. Tổng hợp số liệu thử nghiệm và hoàn thiện báo cáo đồ án.

Dữ liệu cấu hình mạng di động thực tế được tác giả tổng hợp để phục vụ đăng ký tham số kết nối GPRS cho SIM900 qua lệnh AT+CIPCSGP:

Tên nhà mạng APN (Điểm truy cập) Username Password
Mobifone m-wap mms mms
Vinaphone m3-world mms mms
Viettel v-internet Trống Trống
Vietnamobile Wap Trống Trống

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển phân tán gồm 3 phân hệ chính: Khối điều khiển phần cứng (Hardware Node), Khối máy chủ dữ liệu trung gian (Web Server) và Khối ứng dụng điều khiển người dùng (Android Client).

Kiến trúc phần cứng bao gồm các khối chức năng cụ thể:

  • Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển PIC16F877A, dao động thạch anh ngoại 20 MHz, đảm nhận việc khởi tạo cấu hình module mạng, nhận lệnh từ nút bấm cơ học, gửi/nhận chuỗi ký tự qua cổng UART với module SIM và xuất tín hiệu điều khiển ra các cổng logic.
  • Khối truyền thông di động: Module SIM900A kết nối trực tiếp với PIC16F877A qua hai đường truyền dữ liệu nối tiếp TXD và RXD (chuẩn UART, hỗ trợ tốc độ truyền từ 1200 bps đến 115200 bps). SIM900A thực hiện chuỗi lệnh khởi tạo mạng GPRS, mở kết nối TCP đến tên miền hoặc địa chỉ IP của máy chủ web qua cổng 80 (AT+CIPSTART="TCP","domain","80").
  • Khối ngõ ra công suất và hiển thị: Gồm 3 kênh điều khiển độc lập sử dụng Triac BTA16 kết hợp Opto cách ly MOC3020, điều khiển trực tiếp nguồn điện 220VAC cung cấp cho tải. Mỗi kênh đi kèm 1 đèn LED báo trạng thái tải (sáng khi thiết bị đóng điện, tắt khi ngắt điện). Ngoài ra mạch tích hợp LED báo nguồn và LED chỉ báo trạng thái kết nối mạng của SIM900A.
  • Khối nút nhấn điều khiển tại chỗ: Bố trí 3 nút bấm cơ học tương ứng với 3 ngõ ra, sử dụng mạch điện trở kéo lên (pull-up resistor) kết nối tới các chân vào/ra của vi điều khiển, cho phép đảo trạng thái tải tức thời mà không cần thông qua mạng di động.
  • Khối nguồn nuôi: Mạch nguồn xung chuyển đổi điện áp lưới AC thành các mức điện áp DC ổn định phục vụ nuôi vi điều khiển (5V) và cấp dòng tải tức thời cho module SIM900A.

Quy trình xử lý dữ liệu và phần mềm:

  • Trên Web Server: Đăng ký dịch vụ lưu trữ Web Hosting, triển khai cơ sở dữ liệu MySQL lưu trữ bảng trạng thái thiết bị gồm các biến nhị phân (0 đại diện cho trạng thái tắt, 1 đại diện cho trạng thái bật). Kịch bản PHP trung gian tiếp nhận các bản tin HTTP Request từ ứng dụng Android hoặc vi điều khiển để cập nhật hoặc truy xuất dữ liệu trong bảng MySQL.
  • Trên ứng dụng Android: Lập trình bằng Java trong Android Studio, bao gồm module xác thực đăng nhập người dùng và màn hình bảng điều khiển chính. Giao diện hiển thị trực quan trạng thái 3 thiết bị; khi người dùng thao tác chuyển đổi nút gạt trên màn hình, ứng dụng tạo kết nối Internet (qua 3G hoặc Wi-Fi) gửi yêu cầu cập nhật lên Web server.
  • Trên vi điều khiển PIC: Được biên dịch bằng phần mềm CCS C Compiler. Thuật toán hoạt động kiểm tra liên tục trạng thái nút bấm tại chỗ và định kỳ gửi tập lệnh AT qua SIM900A để lấy chuỗi phản hồi từ trang PHP trên máy chủ. Khi phát hiện giá trị trạng thái thay đổi, vi điều khiển kích hoạt mở hoặc khóa chân điều khiển tương ứng của MOC3020/BTA16.
Khối chức năng Linh kiện / Công nghệ chính Thông số kỹ thuật / Đặc tính
Xử lý trung tâm PIC16F877A (Microchip) 8-bit RISC, thạch anh 20 MHz, Flash 8K word, RAM 368 byte
Truyền thông không dây Module SIM900A (SIMCom) Dual-band 900/1800MHz, giao tiếp UART, tập lệnh AT Command
Tầng kích công suất Opto MOC3020 Cách ly quang, dòng kích LED 15–30 mA, điện áp 1,15V–1,5V
Tầng đóng ngắt tải Triac BTA16 Điều khiển tải xoay chiều 220VAC, dòng định mức cực đại 16A
Cơ sở dữ liệu & Server Apache, PHP, MySQL Mô hình Client/Server, lưu trữ biến trạng thái 0/1 trên Host
Ứng dụng điều khiển Android Studio (Java) Tương thích thiết bị chạy hệ điều hành Android từ 4.1 trở lên

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về xu hướng phát triển của thiết bị di động thông minh (Smartphone, PDA, Tablet PC), sự phổ biến của hệ điều hành mã nguồn mở Android của Google và nhu cầu điều khiển thiết bị điện từ xa trong đời sống dân dụng. Tác giả phân tích tính cấp thiết của đề tài, nêu bật ưu thế của giải pháp truyền nhận dữ liệu qua module SIM900 bằng GPRS/3G kết nối máy chủ web so với phương thức điều khiển truyền thống bằng tin nhắn SMS (tiết kiệm chi phí vận hành hơn và không phụ thuộc vào máy tính cá nhân cố định). Chương này cũng xác định rõ 6 mục tiêu, 4 nhóm nhiệm vụ, đối tượng nghiên cứu, phạm vi khống chế của đề tài (điều khiển 3 ngõ ra 220VAC, hỗ trợ hệ điều hành Android 4.1 trở lên), phương pháp triển khai 13 bước và ý nghĩa thực tiễn của hệ thống trong nhà ở thông minh, an toàn điện và các khu vực sản xuất nông nghiệp (vườn ươm, trang trại).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết liên quan

Chương 2 cung cấp toàn diện các cơ sở lý luận và thông số kỹ thuật phục vụ việc thiết kế hệ thống:

  • Hệ điều hành Android: Trình bày lịch sử hình thành từ năm 2003, sự thành lập liên minh OHA năm 2007, thiết bị đầu tiên HTC Dream G1 năm 2008, quá trình tiến hóa qua các phiên bản (1.5 Cupcake, 1.6 Donut, 2.0/2.1 Eclair, 2.2 Froyo, 2.3 Gingerbread, 3.0 Honeycomb, 4.0 ICS, 4.1–4.3 Jelly Bean, 4.4 KitKat và 5.0 Lollipop). Tác giả phân tích ưu điểm (mã nguồn mở, đa nhiệm, tương thích phần cứng đa dạng) và hạn chế (tiêu hao pin, phân mảng, giới hạn bộ nhớ di động, cơ chế quản lý vòng đời Activity và Service).
  • Công nghệ Web và CSDL: Khái niệm về ngôn ngữ kịch bản PHP chạy phía máy chủ, vai trò tiếp nhận và xử lý yêu cầu của phần mềm máy chủ Apache, hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL và kiến trúc Client/Server. Tác giả trình bày phương thức đăng ký dịch vụ lưu trữ Web Hosting và tạo lập bảng dữ liệu trạng thái trên giao diện phpMyAdmin.
  • Mạng truyền thông GPRS/3G: Khái quát cơ chế mạng chuyển mạch gói GPRS (tốc độ 56–114 kbps) và mạng 3G HSDPA (tốc độ tải lên đến 7,2 Mbps).
  • Phần cứng và linh kiện:
    • Module SIM900A: Thông số băng tần 900/1800MHz, giao diện nối tiếp UART, dải nhiệt độ làm việc -40°C đến +85°C, chế độ tiêu thụ dòng thấp 1,0mA. Cấu trúc các chân SIM_DATA, SIM_CLK, SIM_RST, RX, TX. Chi tiết tập lệnh AT cơ bản (AT, ATD, ATH, AT+CMGS) và tập lệnh GPRS (AT+CIPCSGP, AT+CIPSHUT, AT+CIPSTART).
    • Vi điều khiển PIC16F877A: Cấu trúc bộ nhớ Flash 8K word, RAM 368 byte, EEPROM 256 byte, hệ thống ngắt, các bộ định thời Timer0, Timer1, Timer2, cổng nối tiếp USART, 8 kênh ADC 10-bit và độ bền ghi xóa 100.000 lần của bộ nhớ chương trình.
    • Linh kiện công suất: Cấu tạo, nguyên lý dẫn điện hai chiều của Triac BTA16 và thông số cách ly của Opto MOC3020.
  • Các công cụ phần mềm: Giới thiệu môi trường lập trình Android Studio, phần mềm truyền nhận dữ liệu cổng nối tiếp Terminal và trình biên dịch CCS C Compiler cho PIC.

Chương 3: Tính toán thiết kế

Chương 3 đi vào hiện thực hóa các yêu cầu kỹ thuật của bài toán thiết kế:

  • Xây dựng sơ đồ khối tổng quát và xác định chức năng từng khối trong mạch phần cứng.
  • Tính toán thiết kế mạch ngõ ra công suất và hiển thị: Lựa chọn thông số linh kiện ghép nối giữa chân vi điều khiển, điện trở hạn dòng, Opto cách ly MOC3020 và cực điều khiển G của Triac BTA16 để đóng ngắt an toàn nguồn tải 220VAC.
  • Thiết kế mạch nút nhấn cơ học: Ứng dụng điện trở kéo lên để chống nhiễu và thiết lập mức logic ổn định đưa vào các chân vi điều khiển.
  • Thiết kế mạch khối xử lý trung tâm: Sơ đồ nguyên lý kết nối vi điều khiển PIC16F877A với bộ dao động thạch anh, nút Reset, cổng giao tiếp UART với SIM900A và mạch nguồn xung hạ áp.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển: Lưu đồ chương trình chính của PIC16F877A, thuật toán quét và xử lý ngắt/chống dội nút nhấn, quy trình truyền nhận chuỗi dữ liệu với CSDL MySQL qua tập lệnh AT của SIM900A.
  • Thiết kế cơ sở dữ liệu và kịch bản PHP: Cấu hình bảng dữ liệu trên MySQL lưu trữ trạng thái của 3 thiết bị và viết các file PHP thực hiện chức năng đọc/ghi trạng thái thông qua giao thức HTTP.
  • Thiết kế ứng dụng Android: Lập trình giao diện đăng nhập xác thực tài khoản, màn hình quản trị hiển thị trạng thái 3 thiết bị, lưu đồ thuật toán chính của ứng dụng và cơ chế cập nhật trạng thái liên tục giữa ứng dụng và máy chủ.

Chương 4: Kết quả và đánh giá

Chương 4 tổng hợp các kết quả thử nghiệm đạt được sau quá trình thi công:

  • Kết quả nghiên cứu lý thuyết: Hoàn thiện quy trình làm chủ tập lệnh AT Command cho module SIM900A, quy trình kết nối truyền nhận dữ liệu mạng GPRS/3G giữa hệ thống nhúng và Web server, kỹ thuật lập trình tương tác CSDL bằng PHP/MySQL và lập trình ứng dụng di động trên Android Studio.
  • Kết quả thực tế: Thi công hoàn chỉnh module điều khiển phần cứng trên bo mạch thực tế; kết nối ổn định khối vi điều khiển PIC16F877A, module SIM900A và tầng công suất BTA16/MOC3020; điều khiển thành công 3 tải điện dân dụng AC thông qua giao diện ứng dụng trên điện thoại di động chạy Android qua kết nối 3G; thực hiện điều khiển bật tắt tại chỗ bằng hệ thống nút nhấn cơ học trên bo mạch hoạt động chính xác; hệ thống LED báo trạng thái hiển thị trực quan và đúng logic thiết kế.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 đúc kết toàn bộ quá trình nghiên cứu, chỉ ra các ưu điểm về tính ổn định, chi phí thấp, khả năng vận hành linh hoạt kết hợp giữa điều khiển từ xa và điều khiển tại chỗ; đồng thời nhận diện các hạn chế kỹ thuật hiện hữu và đề xuất các giải pháp nâng cấp trong giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công một hệ thống hoàn chỉnh kết hợp giữa phần cứng nhúng và phần mềm di động để điều khiển thiết bị điện dân dụng từ xa qua mạng viễn thông.

Các kết quả kỹ thuật cụ thể có trong văn bản:

  • Thi công hoàn chỉnh bo mạch phần cứng với khối vi điều khiển trung tâm PIC16F877A hoạt động ở tần số dao động 20 MHz.
  • Tích hợp thành công module viễn thông SIM900A giao tiếp qua UART, thiết lập kết nối dữ liệu mạng GPRS/3G với Web server bằng tập lệnh AT thông qua cổng mạng 80 theo giao thức TCP.
  • Đóng ngắt thành công 3 ngõ ra tải điện dân dụng điện áp 220VAC bằng tầng công suất Triac BTA16 kết hợp Opto cách ly quang MOC3020.
  • Vận hành chính xác hệ thống 3 nút nhấn cơ học dùng điện trở kéo lên để chuyển đổi trạng thái thiết bị trực tiếp trên bo mạch mà không phụ thuộc vào kết nối SIM.
  • Hoàn thiện ứng dụng di động trên nền tảng Android Studio, chạy tương thích trên các thiết bị Android từ phiên bản 4.1 trở lên, thực hiện đầy đủ chức năng đăng nhập, gửi lệnh điều khiển và giám sát trạng thái 3 thiết bị theo thời gian thực.
  • Triển khai thành công Web server trung gian sử dụng PHP và cơ sở dữ liệu MySQL trên nền tảng Web Hosting (tại địa chỉ máy chủ cấu hình qua vn).
Thành phần hệ thống Kết quả thực tế đạt được
Mạch phần cứng Thi công bo mạch hoàn chỉnh, tích hợp nguồn xung, khối PIC16F877A và SIM900A
Ngõ ra điều khiển 3 ngõ ra tải xoay chiều 220VAC đóng ngắt bằng Triac BTA16 và Opto MOC3020
Điều khiển tại chỗ 3 nút nhấn cơ khí chuyển đổi trạng thái trực tiếp bằng mạch trở kéo lên
Hiển thị trạng thái Hệ thống LED báo nguồn, báo kết nối mạng SIM và báo trạng thái từng thiết bị
Kênh truyền dữ liệu Mạng viễn thông GPRS/3G thông qua tập lệnh AT Command kết nối TCP Port 80
Cơ sở dữ liệu Bảng dữ liệu MySQL lưu trạng thái nhị phân (0/1), truy xuất qua kịch bản PHP
Ứng dụng di động Ứng dụng Android chạy ổn định trên phiên bản Android 4.1+, có xác thực đăng nhập

Về mặt đóng góp giải pháp kỹ thuật, đề tài đã đề xuất và triển khai phương thức truyền nhận dữ liệu thông qua giao thức GPRS/3G kết nối Web server thay cho phương thức điều khiển truyền thống bằng tin nhắn SMS. Giải pháp này giúp cắt giảm đáng kể chi phí duy trì cước phí viễn thông khi số lần gửi lệnh đóng ngắt tăng cao, đồng thời cho phép đồng bộ hóa dữ liệu hai chiều liên tục giữa mạch điều khiển và điện thoại di động mà không làm nghẽn hàng đợi tin nhắn. Bên cạnh đó, việc tích hợp mạch nút nhấn vật lý song song với tầng điều khiển vi xử lý đảm bảo tính dự phòng cao, cho phép người dùng vận hành thiết bị bình thường ngay cả khi xảy ra sự cố mất sóng di động hoặc lỗi module SIM.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài (dựa trên phạm vi nghiên cứu và các giới hạn được tác giả ghi nhận):

  • Số lượng ngõ ra điều khiển công suất còn hạn chế, cố định ở mức 3 ngõ ra tải xoay chiều 220VAC.
  • Ứng dụng phần mềm chỉ được xây dựng riêng cho hệ điều hành Android (yêu cầu từ phiên bản 4.1 trở lên), hoàn toàn không hỗ trợ các nền tảng di động khác như iOS, Windows Phone, BlackBerry OS hay Symbian.
  • Hệ thống phụ thuộc vào chất lượng vùng phủ sóng mạng GPRS/3G của các nhà mạng viễn thông; tốc độ phản hồi và độ trễ đóng ngắt thiết bị chịu ảnh hưởng trực tiếp từ đường truyền Internet và dịch vụ lưu trữ Web Hosting miễn phí.
  • Phần cứng chưa tích hợp các khối đo lường thông số dòng điện, điện áp tiêu thụ hoặc cảm biến môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, rò rỉ khí gas) để tự động hóa việc ngắt tải bảo vệ.

Hướng nghiên cứu tiếp được tác giả xác định:

  • Nâng cấp phần cứng, mở rộng số lượng ngõ ra công suất nhằm đáp ứng nhu cầu điều khiển đồng thời nhiều thiết bị điện hơn trong gia đình hoặc quy mô nhà xưởng.
  • Tích hợp thêm các khối cảm biến đo lường và cảnh báo để nâng cao tính tự động hóa và an toàn cho hệ thống.
  • Nghiên cứu phát triển phiên bản phần mềm tương thích với nhiều hệ điều hành di động khác, đặc biệt là nền tảng iOS.
  • Tối ưu hóa thuật toán truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển, module SIM và Web server nhằm giảm thiểu độ trễ đóng ngắt, nâng cao tính bảo mật dữ liệu và độ ổn định khi vận hành liên tục trong thời gian dài.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư kỹ thuật thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Hệ thống nhúng.

Các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao trong tài liệu bao gồm:

  • Quy trình lập trình vi điều khiển PIC16F877A giao tiếp nối tiếp UART với module SIM900/SIM900A thông qua tập lệnh AT Command chuyên dụng cho kết nối mạng GPRS và giao thức TCP.
  • Thiết kế mạch công suất cách ly bảo vệ vi điều khiển dùng Opto MOC3020 kết hợp Triac BTA16 để đóng ngắt an toàn tải xoay chiều 220VAC.
  • Mô hình tích hợp ba lớp giữa phần cứng nhúng, dịch vụ máy chủ web (PHP, MySQL, Apache) và ứng dụng di động Android bằng ngôn ngữ Java qua công cụ Android Studio.
  • Giải pháp thiết kế mạch nút nhấn vật lý dự phòng có mạch trở kéo lên, đảm bảo tính liên tục của hệ thống điều khiển khi xảy ra sự cố mạng viễn thông.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống điều khiển được bao nhiêu thiết bị và sử dụng linh kiện công suất nào để đóng ngắt tải?
Hệ thống điều khiển độc lập 3 ngõ ra tải điện dân dụng xoay chiều điện áp 220VAC. Tầng công suất sử dụng Triac BTA16 dẫn điện hai chiều, được điều khiển và cách ly an toàn với mạch vi điều khiển thông qua IC Opto-Triac MOC3020 (dòng kích LED 15–30 mA, điện áp 1,15V–1,5V).

2. Vi điều khiển trung tâm trong phần cứng của đồ án là loại nào và có thông số kỹ thuật chính ra sao?
Vi điều khiển trung tâm là chip PIC16F877A (họ PIC16Fxxx của Microchip), hoạt động với thạch anh ngoại 20 MHz (chu kỳ lệnh 200ns). Vi điều khiển có tập lệnh gồm 35 lệnh 14-bit, bộ nhớ chương trình Flash 8K word, RAM 368 byte, EEPROM 256 byte, 33 chân I/O trên 5 cổng, tích hợp các bộ định thời Timer0, Timer1, Timer2, 8 kênh ADC 10-bit và cổng giao tiếp nối tiếp USART.

3. Module truyền thông di động sử dụng tập lệnh nào để thiết lập kết nối mạng GPRS với máy chủ web?
Hệ thống sử dụng module SIM900A giao tiếp qua chuẩn UART với tập lệnh AT Command. Để cấu hình GPRS, module sử dụng lệnh cấu hình APN AT+CIPCSGP=1,"APN","username","password", lệnh ngắt kết nối an toàn ban đầu AT+CIPSHUT và lệnh mở kết nối TCP đến máy chủ qua cổng 80 với cú pháp AT+CIPSTART="TCP","Domain/IP","80".

4. Ứng dụng điều khiển trên điện thoại được xây dựng bằng công cụ gì và yêu cầu phiên bản hệ điều hành nào?
Ứng dụng được lập trình bằng ngôn ngữ Java trên môi trường phát triển Android Studio. Phần mềm yêu cầu thiết bị di động chạy hệ điều hành Android từ phiên bản 4.1 (Jelly Bean) trở lên và không hỗ trợ các hệ điều hành khác như iOS, Windows Phone, BlackBerry OS hay Symbian.

5. Người dùng có thể điều khiển thiết bị khi mất kết nối mạng di động hoặc lỗi module SIM không?
Có. Mạch phần cứng được thiết kế tích hợp sẵn 3 nút nhấn cơ học dùng điện trở kéo lên kết nối trực tiếp đến các chân I/O của vi điều khiển PIC16F877A. Người dùng có thể thao tác bấm nút tại chỗ để đảo trạng thái đóng/ngắt của từng tải công suất mà không cần thông qua module SIM hay mạng Internet.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Lâm Thế Hiển đã hoàn thành mục tiêu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển 3 thiết bị điện dân dụng xoay chiều 220VAC từ xa qua mạng viễn thông GPRS/3G. Công trình xây dựng trọn vẹn mô hình tương tác dữ liệu khép kín giữa phần cứng vi điều khiển PIC16F877A, module mạng SIM900A, máy chủ web PHP/MySQL và ứng dụng di động Android 4.1+. Hệ thống đạt độ ổn định thực tế cao nhờ tích hợp song song cơ chế đóng ngắt tại chỗ bằng nút bấm vật lý và hiển thị trạng thái qua đèn LED, đóng góp một giải pháp kỹ thuật hữu ích và tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng nhà ở thông minh và tự động hóa dân dụng.