Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Và Điều Khiển Ngôi Nhà Thông Minh Trên Nền Tảng IoT

Khám phá thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát ngôi nhà thông minh trên nền tảng IoT, nâng cao tiện nghi và an toàn cho cuộc sống.

• Tác giả: Đỗ Nguyễn Ngọc Bích
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Duy Chung
• Trường học: Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử - viễn thông
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Và Điều Khiển Ngôi Nhà Thông Minh Trên Nền Tảng IoT
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
• NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN
• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỜI NÓI ĐẦU
• CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. Khái niệm ngôi nhà thông minh
• 1.2. Các dự án ngôi nhà thông minh trên Thế giới và Việt Nam hiện nay
• 1.3. Tổng quan về công nghệ IoT
• 1.3.1. Giới thiệu về công nghệ IoT
• 1.3.2. Internet of Things - Xu hướng công nghệ tương lai
• 1.3.3. Độ rộng lớn của IoT
• 1.3.4. Ứng dụng IoT trong đời sống
• 1.3.5. Ưu và nhược điểm của công nghệ IoT
• 1.3.6. Các chuẩn truyền dữ liệu
• 1.3.6.1. Chuẩn giao tiếp UART
• 1.3.6.2. Chuẩn giao tiếp I2C
• 1.3.6.3. Chuẩn giao tiếp HTTP
• 1.3.6.4. So sánh HTTP Với HTTPS
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
• 2.1. Chọn phần cứng đáp ứng yêu cầu. Vi điều khiển
• 2.2. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
• 2.3. Cảm biến khí gas MQ135
• 2.4. Thời gian thực DS3231
• 2.5. Màn hình hiển thị LCD 16x2. Mạch chuyển giao tiếp LCD 1602 và LCD 2004 sang I2C.
• 2.6. Relay tiếp điểm cơ khí 5V
• 2.7. IC đệm dòng ULN2803
• 2.8. Mạch giảm áp DC LM2596 3A
• 2.9. Opto cách ly tín hiệu PC817
• 2.10. Các phần mềm sử dụng
• 2.10.1. Visual studio code
• 2.10.2. Nền tảng Firebase
• 2.11. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
• 3. CHƯƠNG 3: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 3.1. Thiết kế hệ thống
• 3.2. Tính toán mạch
• 3.3. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống
• 3.4. Thi công hệ thống
• 3.5. Hoàn thiện mô hình
• 3.6. Lập trình cho hệ thống
• 3.7. Giải thích lưu đồ thuật toán
• 3.8. Giao diện trang web
• 3.9. Kết quả đạt được
• 3.10. Những hạn chế trong đề tài. Nhận xét hệ thống
• 3.11. Đánh giá và so sánh kết quả hệ thống
• 3.12. Đánh giá hệ thống
• 3.13. So sánh kết quả hệ thống với mục tiêu đặt ra ban đầu
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• 5. Sách tham khảo
• 6. Bài báo, tạp chí tham khảo
• 7. Đồ án tốt nghiệp, luận án tham khảo
• 8. Tài liệu tham khảo từ internet

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống giám sát ngôi nhà thông minh IoT

Thiết kế hệ thống giám sát ngôi nhà thông minh trên nền tảng IoT đang trở thành xu hướng công nghệ hiện đại. Hệ thống này cho phép người dùng điều khiển và giám sát các thiết bị trong ngôi nhà thông qua internet. Với sự phát triển của công nghệ, việc áp dụng IoT vào ngôi nhà thông minh không chỉ mang lại tiện ích mà còn nâng cao chất lượng cuộc sống.

1.1. Khái niệm về ngôi nhà thông minh và IoT

Ngôi nhà thông minh là nơi được trang bị các thiết bị điện tử hiện đại, có khả năng kết nối và điều khiển từ xa. IoT (Internet of Things) là công nghệ cho phép các thiết bị này giao tiếp và tương tác với nhau qua internet.

1.2. Lợi ích của hệ thống giám sát nhà thông minh

Hệ thống giám sát ngôi nhà thông minh mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm năng lượng, tăng cường an ninh, và cải thiện sự tiện nghi cho người sử dụng. Người dùng có thể dễ dàng kiểm soát các thiết bị từ xa, giúp tiết kiệm thời gian và công sức.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế hệ thống giám sát nhà thông minh

Mặc dù hệ thống giám sát ngôi nhà thông minh mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như bảo mật thông tin, độ tin cậy của kết nối internet, và khả năng tương thích giữa các thiết bị là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Bảo mật thông tin trong hệ thống IoT

Bảo mật thông tin là một trong những thách thức lớn nhất trong thiết kế hệ thống giám sát nhà thông minh. Việc bảo vệ dữ liệu cá nhân và thông tin nhạy cảm khỏi các cuộc tấn công mạng là rất quan trọng.

2.2. Độ tin cậy của kết nối internet

Độ tin cậy của kết nối internet ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của hệ thống giám sát. Nếu kết nối không ổn định, người dùng có thể gặp khó khăn trong việc điều khiển và giám sát các thiết bị.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống giám sát ngôi nhà thông minh hiệu quả

Để thiết kế một hệ thống giám sát ngôi nhà thông minh hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp và công nghệ tiên tiến. Việc lựa chọn các cảm biến và thiết bị phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

3.1. Lựa chọn cảm biến và thiết bị IoT

Việc lựa chọn cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, và khí gas là rất quan trọng. Các thiết bị này cần phải có độ chính xác cao và khả năng kết nối tốt với hệ thống.

3.2. Thiết kế giao diện điều khiển thân thiện

Giao diện điều khiển cần phải dễ sử dụng và thân thiện với người dùng. Việc thiết kế một trang web hoặc ứng dụng di động giúp người dùng dễ dàng giám sát và điều khiển các thiết bị trong ngôi nhà.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống giám sát ngôi nhà thông minh

Hệ thống giám sát ngôi nhà thông minh đã được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn. Nhiều gia đình đã sử dụng công nghệ này để nâng cao an ninh và tiện nghi trong cuộc sống hàng ngày.

4.1. Các ứng dụng trong quản lý năng lượng

Hệ thống giám sát giúp người dùng theo dõi và quản lý năng lượng tiêu thụ trong ngôi nhà. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn bảo vệ môi trường.

4.2. An ninh và giám sát từ xa

Người dùng có thể giám sát an ninh ngôi nhà từ xa thông qua camera và cảm biến. Hệ thống cảnh báo giúp người dùng nhận biết kịp thời các tình huống bất thường.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống giám sát ngôi nhà thông minh

Hệ thống giám sát ngôi nhà thông minh trên nền tảng IoT đang ngày càng trở nên phổ biến. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới, giúp nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ IoT

Công nghệ IoT sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ, với nhiều ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau. Sự kết hợp giữa AI và IoT sẽ tạo ra những sản phẩm thông minh hơn.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực IoT là rất cần thiết để giải quyết các thách thức hiện tại và tạo ra những giải pháp mới cho ngôi nhà thông minh.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ Internet vạn vật (Internet of Things - IoT) đã hình thành và phát triển từ những năm 1990, trở thành một trong những xu hướng công nghệ chủ đạo trên toàn cầu nhờ khả năng kết nối không dây, tích hợp vi cơ điện tử và mạng Internet. Theo thống kê của Statista được trích dẫn trong văn bản, tổng chi phí cho các giải pháp IoT trên thế giới đạt 418 tỷ USD vào năm 2022. Tập đoàn Microsoft cũng ghi nhận khoảng 94% doanh nghiệp đã ứng dụng công nghệ IoT vào hoạt động trong cùng năm. Tại Việt Nam, quy mô thị trường IoT đạt 6,23 tỷ USD năm 2023 và dự báo đạt 13,1 tỷ USD vào năm 2028 với tốc độ tăng trưởng bình quân 16,04%/năm (theo Research and Markets). Sự phát triển này được thúc đẩy bởi hạ tầng viễn thông mở rộng với độ phủ sóng 4G đạt 95% dân số, chi phí phần cứng ngày càng tối ưu và các chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ. Bên cạnh đó, bối cảnh đại dịch COVID-19 cũng thúc đẩy mạnh mẽ nhu cầu ứng dụng các thiết bị thông minh tự động hóa và giám sát từ xa nhằm giảm thiểu sự tiếp xúc trực tiếp.

Trong xu thế đó, mô hình nhà thông minh (Smart Home) được ứng dụng rộng rãi nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống, hỗ trợ giám sát môi trường và tự động hóa điều khiển các thiết bị điện trong gia đình thông qua mạng Internet. Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát ngôi nhà thông minh trên nền tảng IoT" do sinh viên Đỗ Nguyễn Ngọc Bích (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Trần Duy Chung (tháng 12/2023) nhằm hiện thực hóa giải pháp phần cứng và phần mềm cho một mô hình nhà thông minh thực nghiệm.

Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm:

1. Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà, điều khiển các thiết bị điện thông qua web server.
2. Xây dựng mô hình thử nghiệm vật lý để kiểm tra hiệu suất hoạt động của hệ thống.
3. Hiển thị trực quan các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí gas) và trạng thái hoạt động của thiết bị lên màn hình LCD cục bộ và giao diện web server.
4. Đề xuất các cải tiến kỹ thuật và đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của mô hình trong giám sát, điều khiển nhà ở.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành các nội dung kỹ thuật:

• Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các mô hình nhà thông minh hiện nay.
• Thu thập dữ liệu và xác định quy trình thiết kế hệ thống nhà thông minh IoT.
• Lựa chọn giải pháp kỹ thuật, linh kiện phần cứng (vi điều khiển ESP32, module thời gian thực DS3231, màn hình hiển thị LCD, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11, cảm biến chất lượng không khí/khí gas MQ135, rơ-le, mạch đệm dòng và cách ly quang).
• Nghiên cứu các chuẩn truyền thông UART, I2C và giao thức mạng HTTP.
• Thiết kế giao diện web server điều khiển và giám sát trên nền tảng đám mây Firebase.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý, thiết kế mạch in (PCB) và thi công mạch điều khiển phần cứng.
• Thi công mô hình vật lý của ngôi nhà, lắp ráp phần cứng, viết chương trình điều khiển cho ESP32.
• Kiểm thử toàn bộ hệ thống, chỉnh sửa lỗi, đánh giá kết quả so với yêu cầu ban đầu.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống phần cứng nhúng kết hợp máy chủ web và các cảm biến chuyên dụng để điều khiển, giám sát thiết bị gia dụng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ, thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm, khí gas, thời gian thực và điều khiển bật/tắt thiết bị đèn qua mạng Wi-Fi nội bộ và Internet.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết về kiến trúc hệ thống nhà thông minh, công nghệ IoT và các giao thức truyền dữ liệu điện tử - viễn thông:

1. Khái niệm và mô hình nhà thông minh: Tổng hợp các mô hình thực tế trên thế giới (nhà thông minh Xanadu 2.0 của Bill Gates, Biệt thự tháp Clock tại New York, căn nhà Harbour Hide tại Anh, nhà đổi màu tại Los Angeles) và tại Việt Nam (hệ thống nhà thông minh Lumi tại Hà Nội, tòa nhà Technopark Tower của Vingroup đạt tiêu chuẩn LEED Platinum).
2. Công nghệ Internet vạn vật (IoT): Cấu trúc mạng kết nối vạn vật, quy mô thiết bị (hơn 8 tỷ thiết bị năm 2022, dự kiến vượt 18 tỷ thiết bị vào năm 2025 theo Gartner; quy mô thị trường dự kiến đạt 1,7 nghìn tỷ USD vào năm 2025 theo IDC), các ưu điểm về tự động hóa, kết nối, an ninh cùng những thách thức về bảo mật thông tin và chi phí triển khai.
3. Các chuẩn truyền thông dữ liệu:
   • Chuẩn giao tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Giao tiếp nối tiếp không đồng bộ với các tham số tốc độ Baud (Baud rate), khung truyền (Frame), bit Start (mức 0), Data (5 đến 9 bit), bit Parity (chẵn/lẻ) và bit Stop (thường mức 5V).
   • Chuẩn giao tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao thức 2 dây gồm đường dữ liệu nối tiếp SDA (Serial Data) và đường xung nhịp đồng hồ SCL (Serial Clock) với điện trở kéo lên nguồn (pull-up resistor 1kΩ đến 4.7kΩ); cơ chế hoạt động qua điều kiện START (SDA chuyển từ cao xuống thấp khi SCL ở mức cao), điều kiện STOP (SDA chuyển từ thấp lên cao khi SCL ở mức cao) và xung phản hồi ACK; hỗ trợ các chế độ Standard mode, Fast mode và High-Speed mode.
   • Giao thức mạng HTTP và HTTPS: Mô hình Client - Server với các phương thức GET, POST, PUT, DELETE. Tác giả thực hiện phân tích so sánh chi tiết giữa hai giao thức:

Tiêu chí so sánh	Giao thức HTTP	Giao thức HTTPS
Định dạng thanh địa chỉ	Hiển thị dạng http://	Hiển thị dạng https://
Cổng truyền dữ liệu mặc định	Cổng 80	Cổng 443
Tính an toàn và bảo mật	Dữ liệu dạng văn bản thuần (plain text), dễ bị chặn bắt	Dữ liệu được mã hóa qua SSL/TLS, chống tấn công
Tầng giao thức	Giao thức tầng ứng dụng (Application Layer)	Giao thức kết hợp tầng vận chuyển bảo mật
Chứng chỉ bảo mật	Không sử dụng chứng chỉ SSL	Sử dụng chứng chỉ SSL/TLS để mã hóa dữ liệu
Tốc độ tải trang	Tốc độ xử lý nhanh hơn do không qua mã hóa	Tốc độ chậm hơn do phải thực hiện các bước bảo mật

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

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập thông số kỹ thuật (datasheet) của các linh kiện điện tử, chip vi điều khiển, module cảm biến và chuẩn giao tiếp.
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật phần cứng: Tính toán các thông số dòng điện, điện áp, vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển, thiết kế mạch in PCB, sử dụng IC đệm dòng và mạch cách ly quang để đảm bảo an toàn điện.
• Phương pháp lập trình và tích hợp hệ thống: Lập trình firmware cho vi điều khiển bằng ngôn ngữ C/C++ trên nền tảng Arduino IDE; lập trình giao diện người dùng web bằng HTML, CSS, JavaScript trên Visual Studio Code; kết nối dữ liệu thời gian thực thông qua cơ sở dữ liệu Firebase.
• Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình thực tế, lắp đặt phần cứng, nạp code, chạy thử tải và đo đạc các thông số môi trường để hiệu chỉnh hệ thống.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc mô-đun hóa với các khối chức năng chính:

1. Khối xử lý trung tâm (ESP32): Sử dụng vi điều khiển ESP32 38 chân sản xuất trên công nghệ 40 nm của Espressif Systems. Chip tích hợp bộ xử lý 32-bit Tensilica Xtensa Dual-Core (LX6/LX7), tần số hoạt động 160 MHz đến 240 MHz, bộ nhớ RAM 400 KB (ROM 448 KB), bộ nhớ Flash mở rộng lên đến 16 MB. ESP32 tích hợp sẵn Wi-Fi 2.4 GHz và Bluetooth BLE, 36 chân I/O hỗ trợ các ngoại vi ADC (18 kênh), DAC, PWM trên mọi chân I/O, 3 cổng UART, giao tiếp I2C và SPI.

Thông số kỹ thuật	ESP32	ESP8266
Tần số xung nhịp	160 MHz đến 240 MHz	80 MHz
Kết nối Bluetooth	Bluetooth Low Energy (BLE)	Không hỗ trợ
Cảm biến tích hợp	Tích hợp cảm biến nhiệt độ, cảm biến chạm (10 kênh)	Không có
Bảo mật phần cứng	Mã hóa Flash, Secure Boot, OTP 1024-bit	Không có
Tổng số chân GPIO	34 - 39 chân	17 chân
Bộ nhớ ROM	448 KB	Không có
Dòng tiêu thụ Deep Sleep	10 µA	20 µA
Giao tiếp mạng Ethernet	Hỗ trợ Ethernet 10/100 Mbps MAC	Không hỗ trợ

2. Khối cảm biến thu thập dữ liệu:

   • Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11: Hoạt động với nguồn 3 - 5 VDC, dòng tiêu thụ 2,5 mA. Dải đo độ ẩm từ 20% đến 80% RH (sai số 5%), dải đo nhiệt độ từ 0°C đến 50°C (sai số ±2°C), tần số lấy mẫu 1 Hz, kích thước 15 × 12 × 5,5 mm.
   • Cảm biến khí gas MQ135: Hoạt động ở điện áp 3,3 - 5 V, công suất tiêu thụ của bộ sấy (heater) < 800 mW, dải đo từ 0 đến 1000 ppm (sai số ±50 ppm), tần số lấy mẫu 1 Hz. Cảm biến phát hiện các loại khí như amoniac ($NH_3$), cồn ($ethanol$), khói và khí gas.
   • Module thời gian thực DS3231: IC RTC tích hợp bộ dao động thạch anh bù nhiệt độ (TCXO) giúp duy trì độ chính xác cao (sai số ±2 ppm trong dải nhiệt độ -40°C đến +85°C), tích hợp cảm biến nhiệt độ 10-bit, pin backup duy trì đếm thứ, ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây, giao tiếp với ESP32 qua bus I2C.

3. Khối hiển thị và cảnh báo tại chỗ:

   • Màn hình LCD 16x2: Sử dụng IC điều khiển HD44780, hiển thị 2 dòng (mỗi dòng 16 ký tự), điện áp hoạt động 5V, kích thước 80 × 36 × 12,5 mm.
   • Mạch chuyển đổi giao tiếp LCD sang I2C: Giảm số lượng chân điều khiển từ 6 - 8 chân của vi điều khiển xuống chỉ còn 2 chân tín hiệu (SDA và SCL), tích hợp biến trở điều chỉnh độ tương phản.

4. Khối chấp hành và bảo vệ mạch:

   • Relay cơ khí 5V (SRD-05VDC-SL-C): Đóng ngắt tải AC cực đại 10A/250VAC hoặc DC 10A/30VDC, dòng cuộn hút 80 mA, thời gian tác động 10 ms, thời gian nhả 5 ms.
   • IC đệm dòng ULN2803: Gồm 8 mảng transistor Darlington NPN cực góp hở chịu dòng lớn (dòng ra liên tục $I_c = 500\text{ mA}$/kênh, biên độ đỉnh 600 mA, điện áp ra cực đại 50V, công suất tiêu tán 1W/cặp) tích hợp sẵn diode dập xung ngược (flyback diode) để bảo vệ mạch khi đóng ngắt cuộn dây relay.
   • Opto cách ly quang PC817: Cách ly quang học giữa khối logic vi điều khiển điện áp thấp và khối công suất tải lớn nhằm triệt tiêu hiện tượng nhiễu xung và chống dòng ngược.
   • Mạch giảm áp DC-DC LM2596: Chuyển đổi điện áp vào 3 - 40V DC thành điện áp ra 1,23 - 37V DC, dòng tải tối đa 3A, hiệu suất chuyển đổi xấp xỉ 93%, tần số chuyển mạch 154 kHz.

5. Nền tảng phần mềm và giao tiếp máy chủ:

   • Arduino IDE: Môi trường biên dịch và nạp mã nguồn C/C++ xuống vi điều khiển ESP32, sử dụng các thư viện phần cứng và truyền nhận dữ liệu.
   • Visual Studio Code: Công cụ phát triển mã nguồn xây dựng giao diện trang web điều khiển với sự hỗ trợ của tính năng nhắc mã IntelliSense.
   • Firebase Realtime Database (Google): Đóng vai trò máy chủ đám mây trung gian, lưu trữ và đồng bộ hóa hai chiều trạng thái thiết bị và dữ liệu cảm biến giữa vi điều khiển ESP32 và giao diện web người dùng qua kết nối Internet/Wi-Fi.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm căn bản về nhà thông minh và công nghệ Internet vạn vật (IoT). Tác giả tổng thuật các ứng dụng thực tiễn của nhà thông minh trên thế giới (Xanadu 2.0, Harbour Hide, Clock Tower) và các dự án tại Việt Nam (Lumi, Technopark Tower Vingroup). Phân tích chi tiết tiềm năng thị trường IoT toàn cầu và trong nước cùng các lĩnh vực ứng dụng (quản lý đô thị, chất thải, môi trường, nông nghiệp, y tế). Chương này cũng trình bày lý thuyết cấu tạo, nguyên lý truyền dữ liệu và cấu trúc khung truyền của các chuẩn giao tiếp phần cứng bao gồm UART (truyền nối tiếp bất đồng bộ, tốc độ Baud, bit Start/Data/Parity/Stop), bus I2C (giao tiếp 2 dây SDA/SCL, địa chỉ thiết bị, điều kiện Start/Stop, cơ chế ACK) và giao thức truyền tải siêu văn bản HTTP/HTTPS (mô hình Client-Server, các phương thức GET, POST, PUT, DELETE, cơ chế xác thực và mã hóa SSL/TLS).

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG

Chương 2 tập trung vào quá trình khảo sát, tính toán và lựa chọn các linh kiện phần cứng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của đề tài. Tác giả phân tích cấu trúc chip ESP32 (lõi kép Tensilica Xtensa, tần số 160-240 MHz, bộ nhớ RAM 400KB, Flash 16MB) và lập bảng so sánh với chip tiền nhiệm ESP8266 để chứng minh tính ưu việt về số lượng chân GPIO (ESP32 có 34-39 chân so với 17 chân của ESP8266), khả năng bảo mật phần cứng và tích hợp Bluetooth. Tác giả khảo sát các dòng chip ESP32 (ESP32-D0WDQ6, ESP32-U4WDH), phân tích thông số kỹ thuật và sơ đồ chân của các cảm biến DHT11 (đo nhiệt độ, độ ẩm), cảm biến chất lượng không khí MQ135 (đo khí gas, $NH_3$, cồn), module thời gian thực chính xác cao DS3231 tích hợp TCXO, màn hình LCD 16x2 kết hợp mạch chuyển đổi I2C. Đồng thời, chương 2 phân tích các linh kiện phụ trợ cho khối điều khiển và bảo vệ mạch như rơ-le SRD 5V, IC đệm dòng ULN2803, IC cách ly quang PC817, module giảm áp LM2596 3A, cùng các công cụ phần mềm (Arduino IDE, Visual Studio Code, nền tảng Firebase). Cuối chương là sơ đồ khối hoàn chỉnh của hệ thống.

CHƯƠNG 3: THI CÔNG HỆ THỐNG

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế, thi công và đánh giá hệ thống thực nghiệm. Nội dung bao gồm việc tính toán mạch nguồn, vẽ sơ đồ nguyên lý hệ thống, thiết kế mạch in PCB và thi công hoàn thiện mạch điều khiển phần cứng cùng mô hình vật lý của ngôi nhà. Tác giả xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển chương trình cho ESP32, lập trình đọc dữ liệu cảm biến theo chu kỳ, cập nhật thông số lên Firebase, xuất dữ liệu hiển thị ra màn hình LCD 16x2 cục bộ và nhận lệnh điều khiển từ giao diện trang web để kích hoạt rơ-le điều khiển đèn. Chương 3 cũng trình bày giao diện điều khiển trên nền tảng web, đưa ra các nhận xét về quá trình vận hành, đánh giá độ ổn định của hệ thống thực nghiệm và so sánh kết quả đạt được với các mục tiêu ban đầu đặt ra.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đạt được

• Thiết kế và chế tạo phần cứng: Hoàn thiện bo mạch điều khiển tích hợp vi điều khiển ESP32, các khối cảm biến (DHT11, MQ135, DS3231), khối hiển thị LCD 16x2 giao tiếp I2C, khối công suất điều khiển rơ-le có đệm dòng bằng ULN2803 và cách ly quang PC817, mạch nguồn ổn áp LM2596.
• Xây dựng phần mềm và giao diện giám sát: Lập trình thành công chương trình điều khiển nhúng trên ESP32; xây dựng giao diện trang web điều khiển trực quan kết nối với cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase; cho phép người dùng theo dõi các thông số môi trường và điều khiển bật/tắt thiết bị đèn từ xa qua Internet.
• Khả năng đo đạc và cảnh báo: Hệ thống đo đạc chính xác nhiệt độ (dải đo 0 - 50°C), độ ẩm không khí (20 - 80% RH), nồng độ khí gas/tạp khí (0 - 1000 ppm), hiển thị đồng thời thời gian thực (giờ, phút, giây, ngày, tháng, năm) và phát tín hiệu cảnh báo khi các chỉ số khí gas hoặc nhiệt độ tăng cao bất thường.

Đóng góp kỹ thuật của đồ án

• Tích hợp thành công một giải pháp nhà thông minh hoàn chỉnh dựa trên chip ESP32 độc lập, tối ưu hóa tài nguyên phần cứng mà không cần sử dụng thêm vi điều khiển phụ (như Arduino Uno), giúp giảm kích thước và chi phí mạch.
• Ứng dụng chuẩn giao tiếp I2C đồng thời cho cả module thời gian thực DS3231 và màn hình LCD 16x2 thông qua module chuyển đổi, tiết kiệm tối đa số chân GPIO của vi điều khiển.
• Thiết kế mạch công suất bảo đảm tính an toàn cao nhờ kết hợp tầng đệm dòng darlington (ULN2803) và tầng cách ly quang học (PC817), bảo vệ vi điều khiển khỏi xung điện áp ngược từ cuộn cảm rơ-le.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Hệ thống chỉ mới dừng lại ở việc điều khiển thiết bị đèn chiếu sáng cơ bản và giám sát các chỉ số môi trường cơ bản (nhiệt độ, độ ẩm, khí gas), chưa tích hợp nhiều thiết bị gia dụng tự động hóa khác.
• Mô hình vật lý được xây dựng ở quy mô mô phỏng thực nghiệm đồ án, độ hoàn thiện về mặt thẩm mỹ và kiểu dáng công nghiệp chưa cao.
• Chưa tích hợp các cơ chế bảo mật nâng cao cho đường truyền dữ liệu web ngoài các tính năng mặc định của nền tảng Firebase.

Hướng phát triển trong tương lai

• Tích hợp thêm các ứng dụng thông minh mở rộng: hệ thống rèm cửa tự động, điều khiển thiết bị bằng giọng nói, cảm biến phát hiện người chuyển động trong phòng để tự động bật/tắt điện.
• Hoàn thiện thiết kế khung vỏ mô hình với vật liệu và tính thẩm mỹ cao hơn, hướng tới khả năng đóng gói sản phẩm thương mại.
• Mở rộng thêm các thuật toán tự động hóa thông minh dự đoán hành vi người dùng và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ trong ngôi nhà.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho:

• Sinh viên các ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Máy tính đang thực hiện đồ án môn học, khóa luận tốt nghiệp về hệ thống nhúng và ứng dụng IoT.
• Nội dung tham khảo hữu ích:
  • Quy trình tính toán, lựa chọn linh kiện và sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển dùng ESP32.
  • Kỹ thuật kết nối và lập trình đồng thời nhiều thiết bị ngoại vi qua chuẩn giao tiếp I2C (DS3231, LCD 16x2).
  • Giải pháp thiết kế tầng công suất cách ly an toàn dùng Opto PC817 kết hợp IC đệm dòng ULN2803 điều khiển rơ-le 5V.
  • Phương pháp xây dựng giao diện web kết nối với vi điều khiển qua cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn vi điều khiển ESP32 thay vì ESP8266 cho hệ thống nhà thông minh này?
Trả lời: ESP32 sở hữu cấu trúc lõi kép Tensilica Xtensa với xung nhịp cao (160 - 240 MHz so với 80 MHz của ESP8266), bộ nhớ RAM lớn hơn (400 KB), tích hợp cả Wi-Fi và Bluetooth BLE. Đặc biệt, ESP32 có số lượng chân GPIO vượt trội (34 - 39 chân so với 17 chân của ESP8266), cho phép kết nối trực tiếp nhiều cảm biến và khối chấp hành mà không cần gắn thêm vi điều khiển phụ như Arduino.

2. Cảm biến MQ135 trong đồ án có chức năng gì và các thông số kỹ thuật chính là bao nhiêu?
Trả lời: Cảm biến MQ135 được sử dụng để phát hiện khí gas, khói và các tạp khí có hại cho sức khỏe như amoniac ($NH_3$), cồn ($ethanol$). Cảm biến hoạt động ở điện áp 3,3 - 5V, công suất tiêu thụ bộ sấy dưới 800 mW, dải đo nồng độ từ 0 đến 1000 ppm với sai số ±50 ppm và tần số lấy mẫu là 1 Hz.

3. Việc sử dụng mạch chuyển giao tiếp LCD sang I2C đem lại lợi ích gì cho thiết kế phần cứng?
Trả lời: Màn hình LCD 16x2 tiêu chuẩn dùng driver HD44780 thông thường cần từ 6 đến 8 chân của vi điều khiển để truyền dữ liệu (RS, EN, D4-D7). Khi sử dụng mạch chuyển đổi I2C, số lượng chân điều khiển nối với ESP32 được rút gọn chỉ còn 2 chân tín hiệu là SDA (truyền dữ liệu) và SCL (xung đồng hồ), giúp tiết kiệm chân vi điều khiển cho các cảm biến khác.

4. Vai trò của IC đệm dòng ULN2803 và Opto PC817 trong khối chấp hành là gì?
Trả lời: Opto PC817 có chức năng cách ly quang học giữa mạch điều khiển logic vi điều khiển và mạch công suất để chống nhiễu và bảo vệ chip. IC đệm dòng ULN2803 chứa 8 cặp transistor Darlington cho phép khuếch đại dòng điều khiển (chịu dòng liên tục 500 mA/kênh) và tích hợp sẵn diode dập xung ngược để đóng ngắt an toàn các cuộn dây rơ-le 5V mà chân vi điều khiển không thể cấp trực tiếp.

5. Hệ thống sử dụng nền tảng nào để truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển ESP32 và trang web?
Trả lời: Hệ thống sử dụng nền tảng đám mây Firebase Realtime Database của Google kết nối thông qua mạng Wi-Fi và giao thức HTTP/Internet để làm cầu nối lưu trữ, đồng bộ dữ liệu cảm biến và trạng thái bật/tắt thiết bị giữa ESP32 và giao diện web người dùng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đỗ Nguyễn Ngọc Bích đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và thi công mô hình hệ thống giám sát, điều khiển ngôi nhà thông minh ứng dụng nền tảng IoT. Hệ thống phần cứng được xây dựng bài bản xung quanh vi điều khiển ESP32, tích hợp đầy đủ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí, thời gian thực và khối công suất đóng ngắt rơ-le an toàn. Việc kết nối đồng bộ giữa phần cứng nhúng và máy chủ web qua nền tảng Firebase chứng minh tính khả thi, độ ổn định và tiềm năng ứng dụng thực tiễn của giải pháp trong việc tự động hóa nhà ở hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Khái niệm ngôi nhà thông minh Những ngôi nhà được trang bị các thiết bị điện tử hiện đại, có thể kết nối đồng bộ, dễ dàng điều khiển thông qua điện thoại thông minh, máy tính hoặc giọng nói thông qua internet được gọi là ngôi nhà thông minh. Người dùng có thể điều khiển ngôi nhà từ xa, kiểm soát các thiết bị trong nhà ở bất cứ đâu, chỉ cần thông qua internet. Nhà thông minh mang lại rất nhiều lợi ích như: tiện nghi, an toàn, tiết kiệm năng lượng và tính thẩm mỹ cao.1 Ngôi nhà thông minh Ngôi nhà thông minh đóng vai trò quan trọng trong việc kiến tạo cuộc sống hiện đại và tiện nghi.

- Tích hợp công nghệ hiện đại - Tự động hóa hoạt động - Tiết kiệm năng lượng - An ninh và giám sát hiệu quả - Quản lý thiết bị gia đình - Dự đoán và phục vụ - Cuộc sống bền vững SVTH: Đỗ Nguyễn Ngọc Bích GVHD: ThS. Trần Duy Chung 5 Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh trên nền tảng IoT 1. Các dự án ngôi nhà thông minh trên Thế giới và Việt Nam hiện nay Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học- công nghệ. Các dự án nhà thông minh IoT xuất hiện ngày càng nhiều.

Đáp ứng nhu cầu sống của người dân trên khắp thế giới và cả ở Việt Nam. Thế giới a) Căn hộ thông minh của tỷ phú Bill Gates: nhà của ông là một trong những ngôi nhà thông minh nhất thế giới với tên “Xanadu 2. Căn hộ được trang bị nhiều thiết bị công nghệ cao như: người dùng có thể điều khiển ánh sáng và rèm cửa bằng giọng nói hoặc bằng điện thoại thông minh. Căn hộ được trang bị camera và cảm biến báo trộm giúp bảo vệ an toàn.

Việc thưởng thức âm nhạc, phim ảnh ở bất kỳ đâu trong nhà với hệ thống âm thanh và giải trí đa phòng. Hệ thống chiếu sáng tự động giúp điều chỉnh ánh sáng theo thời gian và hoạt động của người dùng. b) Biệt thự tháp Clock ở New York: đây là một biệt thự tháp đồng hồ có tuổi đời lên đến 98 năm tuổi, nhưng nó không hề lạc hậu mà còn được xem là ngôi nhà hiện đại bậc nhất. Nó được trang bị hệ thống an ninh cao cấp với điều khiển Crestron giúp người dùng điều khiển ánh sáng, điều hòa.

Biệt thự tháp Clock ở New York c) Căn nhà Harbour Hide ở Anh: người dùng có thể điều khiển ánh sáng, nhiệt độ theo ý thích của bản thân. Người dùng còn có thể kiểm soát rèm cửa và thay đổi kinh màu điện tử. Có thể sáng lên như ánh sáng mặt trời hoặc tối đi tùy ý muốn. SVTH: Đỗ Nguyễn Ngọc Bích GVHD: ThS.

Trần Duy Chung 6 Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh trên nền tảng IoT Hình 1. Căn nhà Harbour Hide ở Anh d) Ngôi nhà đổi màu duy nhất ở Los Angeles: ngôi nhà này trở nên thú vị và ấn tượng hơn khi được kết hợp với công nghệ cao. Các cửa sổ sẽ tự động đóng khi có ánh sáng quá chói. Hệ thống ánh sáng, âm thanh, lò sưởi đều có thể điều khiển từ xa.

Việt Nam a) Nhà thông minh Lumi ở Hà Nội: đây là đơn vị hàng đầu tại Việt Nam trong lĩnh vực thi công nhà thông minh. Khi ở nhà người dùng có thể điều khiển bằng giọng nó và điều khiển bẳng smartphone khi ra ngoài. Đo thông tin môi trường nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng. Điều khiển bật/tắt, tăng/giảm nhiệt độ điều hòa.

Tự động tưới sân vườn. Cài lịch, hẹn giờ, tắt đèn theo ý muốn. Tự động đóng rèm khi đi ngủ, tự động mở rèm chào buổi sáng. Hẹn giờ tự bật/tắt bình nóng lạnh.Nhà thông minh Lumi ở Hà Nội SVTH: Đỗ Nguyễn Ngọc Bích GVHD: ThS.

Trần Duy Chung 7 Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh trên nền tảng IoT b) Tòa nhà Technopark Tower của Vingroup: đây là tòa nhà vận hành theo tiêu chí khắt khe của chứng chỉ LEED Platium- cấp đô cao nhất của hệ thống xếp hạng uy tín toàn cầu nhằm đánh giá thiết kế và hiệu suất về môi trường xanh tại các công trình xây dựng do Hội đồng Xây dựng Xanh của Mỹ cung cấp. Tòa nhà ứng dụng trí tuệ nhân tạo AI và IoT trong vận hành và quản lý, giúp cho mọi hoạt động của nhân viên được tối giản nhằm tiết kiệm thời gian. Tính năng Smart Parking tích hợp trong ứng dụng nhân viên cho phép dẫn đường và tìm kiếm vị trí đỗ xe. Hệ thống tự động nhận diện khuôn mặt và biển số xe cho các thuê bao hàng tháng, xe vào/ ra không dừng, tiết kiệm thời gian xếp hàng và nhân sự vận hành.Tòa nhà Technopark Tower của Vingroup 1.

Tổng quan về công nghệ IoT 1. Giới thiệu về công nghệ IoT Internet of Things (IoT) là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Theo khái niệm ta có thể hiểu Internet of Thing (IoT) là mọi vật đều có thể kết nối với nhau qua Internet, người dùng có thể kiểm soát đồ vật của minh qua một thiết bị thông minh như laptop, table PC hay smartphone.

Internet of Things ra đời đang dần cụ thể hóa các bộ phim khoa học viễn tưởng thành hiện thực trong đời sống. SVTH: Đỗ Nguyễn Ngọc Bích GVHD: ThS. Trần Duy Chung 8 Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh trên nền tảng IoT 1. Internet of Things - Xu hướng công nghệ tương lai Mặc dù khái niệm Internet of Things được đưa ra từ lâu.

Nhưng trong những năm gần đây nó mới được nhiều doanh nghiệp cũng như các nhà khoa học để ý và phát triển mạnh mẽ. Trong các năm gần đây tại các triển lãm công nghệ CÉS, triễn lãm di động toàn cầu. các hãng sản xuất lớn thay nhau đưa ra các thiết bị thông minh: tivi thông minh, tủ lạnh thông minh và ý tưởng về nhà thông minh. liên tục được giới thiệu.

Và khi gây được sự chú ý của cộng đồng, IoT đã cho thấy tiềm năng của mình bằng những con số đáng kinh ngạc. Internet of thing đang tác động sâu sắc đến đời sống hàng ngày của con người. Thị trường IoT toàn cầu có thể đạt 1,7 nghìn tỷ USD vào năm 2025( theo IDC). Độ rộng lớn của IoT Số lượng thiết bị IoT được kết nối với internet chính là kích thước của IoT.

Có khoảng hơn 8 tỷ thiết bị IoT được kết nối vào năm 2022, con số này có tăng đến hơn 18 tỷ vào năm 2025 (theo Garner) Một mạng lưới IoT có thể chứa đến hơn 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng.Một con người sống trong thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tượng có khả năng theo dõi. Ứng dụng IoT trong đời sống Hình 1. Ứng dụng IoT trong đời sống IoT có nhiều ứng dụng như: SVTH: Đỗ Nguyễn Ngọc Bích GVHD: ThS. Trần Duy Chung 9 Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh trên nền tảng IoT - Quản lí chất thải - Quản lí và lập kế hoạch quản lí đô thị - Quản lí môi trường - Phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp - Mua sắm thông minh - Quản lí các thiết bị cá nhân - Nông nghiệp - Y tế 1.

Ưu và nhược điểm của công nghệ IoT Ưu điểm: - Tự động hóa: IoT có thể giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho con người nhờ vào việc có thể tự động hóa các tác vụ và quy trình. - Tăng cường kết nối: Nhiều cơ hội mới cho giao tiếp, hợp tác và chia sẻ dữ liệu nhờ vào việc IoT cho phép các thiết bị, máy móc và con người kết nối với nhau một cách dễ dàng và hiệu quả hơn. - Tăng cường hiệu quả: IoT có thể được sử dụng để theo dõi hiệu suất, tối ưu hóa chuỗi cung ứng và cải thiện dịch vụ khách hàng. Giúp cải thiện hiệu quả hoạt động của các doanh nghiệp và tổ chức.

- Tăng cường an toàn và an ninh: IoT có thể được sử dụng để giám sát tài sản, phát hiện xâm nhập và cảnh báo khẩn cấp đến người dùng. Nhược điểm: - Rủi ro bảo mật: các thiết bị và dữ liệu dễ bị tấn công hơn, dẫn đến trộm cắp, rò rĩ thông tin. - Chi phí: Chi phí để sử dụng công nghệ IoT khá cao, nên khó tiếp cận đến các doanh nghiệp hay tổ chức nhỏ. - Môi trường: việc sử dụng và sản xuất các thiết bị IoT cũng gây ra nhiều khó khăn vì đây là thiết bị sử dụng năng lượng cao, ảnh hưởng đến môi trường.

Các chuẩn truyền dữ liệu 1. Chuẩn giao tiếp UART UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter là kiểu truyền thông tin nối tiếp không đồng bộ thường là một mạch tích hợp. Mục đích của UART là để truyền tín hiệu qua lại lẫn nhau (ví dụ truyền tín hiệu từ Laptop vào Modem hay ngược lại) hay truyền từ vi điều khiển tới vi điều khiển, từ laptop tới vi điều khiển. SVTH: Đỗ Nguyễn Ngọc Bích GVHD: ThS.

Trần Duy Chung 10 Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh trên nền tảng IoT Hình 1. Truyền dữ liệu giữa 2 vi điều khiển Một số thông số: Baud rate (tốc độ Baud): Khi truyền nhận không đồng bộ để hai module hiểu được nhau thì cần quy định một khoảng thời gian cho 1 bit truyền nhận, nghĩa là trước khi truyền thì tốc độ phải được cài đặt đầu tiên. Theo định nghĩa thì tốc độ baud là số bit truyền trong một giây. Frame (khung truyền): Do kiểu truyền thông nối tiếp này rất dễ mất dữ liệu nên ngoài tốc độ, khung truyền cũng được cài đặt từ ban đầu để tránh bớt sự mất mát dữ liệu này.

Khung truyền quy định số bit trong mỗi lần truyền, các bit báo như start, stop, các bit kiểm tra như parity và số bit trong một data. Bit Start: Là bit bắt đầu trong khung truyền bit này nhằm mục đích báo cho thiết bị nhận biết quá trình truyền bắt đầu trên AVR bit Start có trạng thái là 0. Data: Dữ liệu cần truyền Data không nhất thiết phải 8 bit có thể là 5, 6, 7, 8, 9.