Thiết kế hệ thống quản lý tài sản cá nhân

Đồ án thiết kế hệ thống quản lý tài sản cá nhân - Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2025

• Tác giả: Phan Tấn Lộc
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Minh
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Máy tính
• Đề tài: Thiết kế hệ thống quản lý tài sản cá nhân
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống quản lý tài sản cá nhân

Đề tài thiết kế hệ thống quản lý tài sản cá nhân thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Công trình do sinh viên Phan Tấn Lộc và Nguyễn Đức Huy thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thạc sĩ Lê Minh. Mục tiêu nghiên cứu hướng đến việc xây dựng giải pháp công nghệ nhằm hỗ trợ kiểm soát đồ dùng cá nhân hàng ngày. Hệ thống tích hợp giữa phần cứng thu phát tín hiệu không dây và phần mềm điều khiển trên điện thoại thông minh. Thiết bị đóng vai trò vật trung gian gắn liền với tài sản quan trọng như ví tiền, chìa khóa hoặc thiết bị điện tử. Điện thoại di động đóng vai trò trạm giám sát trung tâm, tiếp nhận tín hiệu liên tục. Khi vật thể di chuyển vượt quá giới hạn an toàn, ứng dụng lập tức kích hoạt chuông báo động. Giải pháp này giúp người sở hữu chủ động phòng tránh rủi ro quên đồ hoặc bị đánh cắp trong môi trường công cộng. Kiến trúc hệ thống tập trung vào tính trực quan, độ trễ thấp và mức tiêu thụ năng lượng tối ưu.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu đề tài tại HCMUTE

Khoa Điện - Điện tử thuộc Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn khuyến khích sinh viên nghiên cứu các ứng dụng Internet vạn vật phục vụ đời sống. Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính này ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế về quản trị tài sản cá nhân. Đời sống bận rộn khiến tình trạng để quên đồ đạc diễn ra thường xuyên tại các địa điểm công cộng như quán cà phê, thư viện hay bến xe. Tình trạng này gây thiệt hại tài chính và lãng phí thời gian tìm kiếm. Đề tài tập trung giải quyết bài toán chống mất mát bằng công nghệ định vị cự ly gần. Sản phẩm hướng đến đối tượng người dùng phổ thông với chi phí chế tạo thấp và tính ứng dụng cao.

1.2. Mục tiêu và phạm vi xây dựng hệ thống

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xây dựng hệ thống quản lý tài sản đạt độ ổn định cao. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các thiết bị phần cứng nhỏ gọn, có khả năng phát tín hiệu liên tục trong thời gian dài. Hệ thống cần duy trì liên lạc ổn định với smartphone trong bán kính từ 10 đến 30 mét. Giao diện phần mềm trên điện thoại phải trực quan, dễ thao tác và hiển thị trạng thái kết nối rõ ràng. Bên cạnh đó, hệ thống phải đảm bảo việc tiêu hao pin ở mức tối thiểu cho cả hai thiết bị. Việc tối ưu hóa thuật toán đo cường độ tín hiệu giúp nhận diện chính xác khoảng cách an toàn, tránh báo động giả khi vật thể vẫn nằm trong tầm kiểm soát.

II. Thực trạng và bài toán quản lý tài sản cá nhân hiện nay

Việc bảo quản đồ đạc cá nhân trong sinh hoạt đô thị ngày càng trở nên phức tạp. Người dân thường xuyên mang theo nhiều vật dụng có giá trị như laptop, ví giấy tờ, chìa khóa thông minh và điện thoại. Áp lực công việc cùng môi trường sống bận rộn dễ dẫn đến thói quen đãng trí hoặc lơ là mất cảnh giác. Các giải pháp truyền thống như dùng móc khóa thông thường, gắn nhãn tên hay dùng định vị GPS đều tồn tại hạn chế lớn. Nhãn tên thụ động chỉ phát huy tác dụng sau khi vật thể đã bị thất lạc. Trong khi đó, định vị GPS tiêu tốn nhiều năng lượng và hoạt động kém hiệu quả trong không gian kín hoặc nhà cao tầng. Ngoài ra, các sản phẩm thương mại chống thất lạc trên thị trường thường có giá thành cao và phụ thuộc sâu vào hệ sinh thái khép kín. Người sử dụng gặp khó khăn khi muốn đồng bộ giữa nhiều nền tảng di động khác nhau. Thiết bị cần một phương thức cảnh báo chủ động ngay tại thời điểm xảy ra sự cố ly khai giữa chủ thể và vật dụng. Việc phân tích rõ các rào cản kỹ thuật này đặt nền móng cho việc lựa chọn công nghệ phù hợp.

2.1. Thách thức về suy hao năng lượng và cự ly giám sát

Một trong những rào cản lớn nhất của các thiết bị theo dõi tài sản là thời lượng pin. Các vi mạch truyền tin liên tục qua sóng vô tuyến dễ cạn kiệt nguồn điện chỉ sau vài ngày hoạt động nếu không tối ưu cơ chế truyền phát. Khi thiết bị cạn pin bất ngờ, việc bảo vệ tài sản hoàn toàn bị vô hiệu hóa. Ngoài ra, việc duy trì đường truyền không dây trong môi trường đô thị gặp nhiều thách thức do vật cản vật lý. Tường bê tông, đồ kim loại và các thiết bị phát sóng Wi-Fi xung quanh dễ gây nhiễu sóng tín hiệu. Hiện tượng này làm sai lệch dữ liệu khoảng cách thực tế, khiến hệ thống phát cảnh báo sai hoặc bỏ sót sự cố.

2.2. Hạn chế về tính tương thích trên thiết bị di động

Sự phân mảnh của hệ điều hành di động đặt ra bài toán khó cho các kỹ sư phần mềm. Nền tảng Android và iOS sở hữu chính sách quản lý tiến trình chạy nền rất nghiêm ngặt. Để tiết kiệm năng lượng, hệ điều hành thường tự động tắt các ứng dụng quét sóng định kỳ sau một khoảng thời gian nhất định. Điều này dẫn đến nguy cơ mất kết nối giữa điện thoại và tài sản mà không có bất kỳ thông báo cảnh báo nào. Bên cạnh đó, các chuẩn kết nối phần cứng giữa các hãng sản xuất thiết bị đeo và thẻ theo dõi không đồng nhất. Người dùng buộc phải cài đặt nhiều ứng dụng riêng biệt, gây bất tiện trong quá trình giám sát hàng ngày.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống quản lý tài sản cá nhân BLE

Để giải quyết triệt để các rào cản trên, nhóm tác giả đề xuất ứng dụng công nghệ Bluetooth Low Energy (BLE) chuẩn 4.0 trở lên kết hợp cơ chế Beacon. BLE mang lại ưu điểm tiêu thụ điện năng cực thấp, giúp thiết bị duy trì hoạt động trong nhiều tháng chỉ với viên pin nhỏ. Hệ thống tận dụng các gói tin quảng bá (advertising packets) từ thiết bị gắn kèm như Beacon hoặc vòng đeo thông minh Xiaomi Band 8. Điện thoại thông minh liên tục quét các gói tin này ở chế độ nền để cập nhật chỉ số cường độ tín hiệu nhận được (RSSI). Thuật toán xử lý tín hiệu lọc nhiễu tự động chuyển đổi giá trị RSSI thành khoảng cách tương đối. Khi thông số RSSI giảm xuống dưới ngưỡng an toàn thiết lập trước, phần mềm xác định tài sản đang rời xa phạm vi cho phép. Ứng dụng lập tức phát âm thanh cảnh báo âm lượng lớn kèm cơ chế rung máy. Bên cạnh đó, giải pháp còn tích hợp tính năng gửi tín hiệu hai chiều, cho phép bấm nút kích hoạt chuông reo trên thiết bị để tìm kiếm vị trí đồ vật nhanh chóng.

3.1. Ứng dụng công nghệ BLE và cơ chế định vị Beacon

Công nghệ Bluetooth Low Energy mang lại bước tiến đột phá trong giám sát đồ dùng tầm gần. Thiết bị Beacon đóng vai trò máy phát tín hiệu liên tục mà không cần thiết lập kết nối ghép đôi phức tạp. Mỗi thiết bị sở hữu mã nhận diện UUID duy nhất, giúp smartphone phân biệt chính xác từng món đồ trong danh sách quản lý. Quá trình truyền phát sử dụng năng lượng tối thiểu, cho phép thiết bị duy trì hoạt động trong thời gian dài. Giao thức này tương thích hoàn toàn với các hệ điều hành phổ biến từ Android 6.0 và iOS 10 trở lên. Nhờ đó, người dùng có thể dễ dàng biến các vật dụng thường ngày thành tài sản thông minh có thể giám sát từ xa.

3.2. Thiết kế module phần mềm và cảnh báo thời gian thực

Module phần mềm trên smartphone được xây dựng theo kiến trúc hướng đối tượng tối ưu. Ứng dụng cung cấp các chức năng chính bao gồm tải danh sách thiết bị, xóa thiết bị cũ, đo cường độ RSSI và bật tắt giám sát độc lập. Dữ liệu tín hiệu được cập nhật liên tục theo chu kỳ mili-giây để phản ánh chính xác vị trí đồ dùng. Khi phát hiện thiết bị vượt khỏi vùng phủ sóng cho phép, chương trình ngay lập tức gửi cảnh báo đẩy và kích hoạt rung chuông liên hồi. Người dùng cũng có thể chủ động bấm nút gửi lệnh từ giao diện để thiết bị phát âm thanh định vị. Giao diện trực quan giúp việc tương tác diễn ra mượt mà và thân thiện.

IV. Đánh giá và ứng dụng hệ thống quản lý tài sản cá nhân

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống quản lý tài sản cá nhân" tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra. Kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh hệ thống hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau. Độ nhạy tín hiệu đo bằng RSSI phản hồi chuẩn xác theo khoảng cách vật lý thực tế. Khi thiết bị di chuyển ra ngoài phạm vi cài đặt, cảnh báo được kích hoạt tức thì trên điện thoại mà không ghi nhận hiện tượng trễ nghiêm trọng. Mô hình sở hữu tiềm năng ứng dụng thương mại rất lớn trong đời sống hiện đại. Giải pháp không chỉ phục vụ cá nhân theo dõi đồ dùng như ba lô, ví tiền, chìa khóa xe mà còn mở rộng áp dụng cho môi trường doanh nghiệp. Các văn phòng, bệnh viện và trường học có thể triển khai hệ thống để giám sát trang thiết bị nội bộ đắt tiền. Sự kết hợp giữa vi điều khiển tiêu thụ điện thấp và ứng dụng di động thông minh mở ra hướng phát triển bền vững cho các sản phẩm Internet vạn vật tại Việt Nam.

4.1. Khả năng ứng dụng thực tế và hiệu quả kinh tế

Hệ thống mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt nhờ chi phí chế tạo linh kiện vô cùng cạnh tranh. Việc tận dụng vi mạch BLE sẵn có cùng các cảm biến thông dụng giúp hạ giá thành sản phẩm xuống mức tối thiểu. Người dùng không phải trả phí duy trì dịch vụ định vị hàng tháng như các thiết bị GPS truyền thống. Trong thực tiễn, giải pháp phát huy giá trị cao khi gắn vào hành lý xách tay, xe đạp hoặc vật nuôi. Mức độ tiện dụng cao cùng thao tác thiết lập đơn giản giúp công nghệ này tiếp cận nhanh chóng với cộng đồng sinh viên và người đi làm. Đây là bước đệm lý tưởng để thương mại hóa sản phẩm rộng rãi.

4.2. Hướng phát triển và tích hợp trí tuệ nhân tạo

Định hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc nâng cao độ chính xác định vị bằng trí tuệ nhân tạo. Việc tích hợp mô hình học máy nhỏ gọn (TinyML) giúp bộ xử lý nhận biết thói quen di chuyển của chủ sở hữu. Nhờ đó, hệ thống có thể phân biệt chính xác giữa hành vi bỏ quên tài sản và chuyển động thông thường trong phòng làm việc. Ngoài ra, việc mở rộng liên kết mạng lưới định vị cộng đồng đa thiết bị sẽ hỗ trợ tìm kiếm đồ vật bị mất ở phạm vi địa lý xa hơn. Những nâng cấp này hứa hẹn biến hệ thống thành một giải pháp an ninh cá nhân toàn diện và thông minh vượt trội.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ Internet vạn vật (Internet of Things - IoT), nhu cầu giám sát, định vị và quản lý các thiết bị, tài sản cá nhân không dây ngày càng trở nên cấp thiết. Các vật dụng thiết yếu như ví tiền, chìa khóa, túi xách, ba lô hay tai nghe rất dễ bị thất lạc trong sinh hoạt hằng ngày. Trên thị trường hiện nay, các giải pháp định vị thương mại như Apple AirTag hoạt động hiệu quả nhưng bị giới hạn chặt chẽ trong hệ sinh thái đóng của nhà sản xuất, đòi hỏi chi phí đầu tư cao và thiếu tính linh hoạt cho người dùng phổ thông trên các nền tảng khác. Xuất phát từ thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống quản lý tài sản cá nhân" do sinh viên Phan Tấn Lộc và Nguyễn Đức Huy thực hiện (ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Minh) tập trung nghiên cứu giải pháp theo dõi tài sản dựa trên công nghệ Bluetooth năng lượng thấp (Bluetooth Low Energy - BLE).

Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh gồm thiết bị phần cứng phát tín hiệu BLE và ứng dụng quản lý trên hệ điều hành Android, hỗ trợ kiểm soát các vật dụng cá nhân trong bán kính khoảng cách lên đến 30 mét. Các nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể được nhóm tác giả xác định theo thứ tự bao gồm:

1. Thiết kế và cấu hình module phần cứng phát BLE (iBeacon) gắn kèm lên từng tài sản cần theo dõi, đáp ứng yêu cầu kích thước nhỏ gọn và tiêu thụ ít năng lượng.
2. Xây dựng ứng dụng di động trên nền tảng Android để quét, kết nối, giám sát trạng thái và hiển thị thông tin thiết bị theo thời gian thực mà không yêu cầu người dùng phải đăng ký hay đăng nhập tài khoản.
3. Hiện thực hóa cơ chế cảnh báo thất lạc đa phương thức: kích hoạt rung, phát âm thanh, hiển thị thông báo đẩy trên điện thoại khi tài sản vượt khỏi phạm vi 30 mét; đồng thời cho phép gửi tín hiệu từ điện thoại để kích hoạt còi báo (buzzer) trên module phần cứng tự thiết kế nhằm định vị tài sản ở cự ly gần.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là các thiết bị phát tín hiệu BLE hoạt động ở chế độ ngoại vi (peripheral), quy trình truyền nhận dữ liệu theo giao thức GATT (Generic Attribute Profile) và kỹ thuật phát triển ứng dụng di động giao tiếp BLE trên nền tảng Android. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian tập trung vào khu vực giới hạn với bán kính làm việc ổn định trong phạm vi 30 mét. Về mặt công nghệ, hệ thống chỉ hỗ trợ các thiết bị di động chạy hệ điều hành Android 12 trở lên (API level 31+) nhằm đáp ứng cơ chế phân quyền bảo mật mới của Bluetooth API, không mở rộng sang các hệ điều hành khác như iOS hay HarmonyOS, đồng thời giới hạn ở cấu trúc kết nối điểm - điểm (Point-to-Point) chứ không triển khai mạng hình lưới (BLE Mesh) hay các thuật toán định vị không gian chính xác trong nhà (indoor positioning).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của đề tài tập trung vào công nghệ Bluetooth Low Energy (Bluetooth 4.0 trở lên), được chuẩn hóa bởi tổ chức Bluetooth SIG từ nền tảng công nghệ Wibree của Nokia. Khác với Bluetooth truyền thống vốn tối ưu cho việc truyền tải thông lượng lớn như âm thanh hoặc video, BLE được thiết kế riêng cho các ứng dụng IoT với đặc tính truyền tải các gói dữ liệu nhỏ định kỳ, thời gian thiết lập kết nối nhanh (~3 mili giây) và mức tiêu thụ dòng cực thấp.

Đặc tính kỹ thuật	Bluetooth thông thường	Bluetooth Low Energy (BLE)
Tần số vô tuyến	Băng tần ISM 2.4 GHz	Băng tần ISM 2.4 GHz
Khoảng cách lý thuyết	~10 m	>60 m (thực tế hiệu quả ~30 m)
Tốc độ truyền dữ liệu	1 – 3 Mbps	1 Mbps
Thông lượng thực tế	0.1 Mbps	~305 kbps
Tiêu chuẩn bảo mật	64-bit, 128-bit	128-bit AES
Mức tiêu thụ năng lượng	Thấp	Rất thấp
Cấu trúc mạng	Scatternet	Star, Point-to-Point

Về mặt phần cứng, nhóm nghiên cứu dựa trên kiến trúc hệ thống trên vi mạch (SoC) nRF51822 của hãng Nordic Semiconductor tích hợp lõi vi xử lý 32-bit ARM Cortex-M0, bộ nhớ Flash 128 KB/256 KB, SRAM 16 KB/20 KB, hỗ trợ chuẩn BLE với công suất phát tối đa +4 dBm và độ nhạy thu -96 dBm. Về mặt phần mềm, đồ án vận dụng ngôn ngữ lập trình Kotlin trên môi trường Android Studio, áp dụng mô hình kiến trúc phần mềm MVVM (Model - View - ViewModel) kết hợp với kỹ thuật xử lý bất đồng bộ Coroutine và thư viện lưu trữ cơ sở dữ liệu cục bộ Room/SQLite.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

• Phương pháp tổng hợp lý thuyết: Phân tích tài liệu kỹ thuật chính thức từ Google Developers (Android BLE API), Nordic Semiconductor và chuẩn giao tiếp Generic Attribute Profile (GATT).
• Phương pháp khảo sát thực tế: Phân tích chức năng và luồng tương tác của các ứng dụng thương mại hiện có (nRF Connect, LightBlue Explorer, AirTag) để tối ưu hóa quy trình sử dụng cho người dùng phổ thông.
• Phương pháp thiết kế và thực nghiệm kỹ thuật: Thiết kế phần cứng mô-đun phát BLE, tính toán mạch kích tầng bán dẫn điều khiển còi buzzer và lập trình firmware trên môi trường Keil µVision5 qua mạch nạp ST-Link V2; đồng thời xây dựng giao diện và luồng xử lý quét/quản lý dữ liệu trên ứng dụng di động.
• Phương pháp thử nghiệm người dùng: Vận hành thử nghiệm ứng dụng với người dùng phổ thông nhằm đánh giá độ tiện dụng của giao diện, độ trễ nhận diện và tính ổn định của cảnh báo khi thay đổi khoảng cách vật lý.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo mô hình phân tán gồm hai khối thành phần chính: Khối module phát BLE (gắn trên tài sản) và Khối ứng dụng quản lý (chạy trên smartphone Android).

[Module phát BLE (nRF51822)] <---- Sóng BLE (GATT/RSSI) ----> [Smartphone (Ứng dụng Android)]
         |                                                               |
    [Khối Còi Báo]                                               [Giao diện & CSDL Room]

1. Thiết kế phần cứng module phát BLE

Phần cứng của thẻ theo dõi gồm ba khối chức năng:

• Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển nRF51822 để thực hiện chức năng quảng bá định kỳ các gói dữ liệu iBeacon (UUID, Major, Minor, TX Power) và duy trì kết nối BLE với điện thoại.
• Khối cảnh báo: Sử dụng còi buzzer chủ động loại 3V (dòng tiêu thụ $I_C = 15\text{ mA}$, cường độ âm thanh tối đa 80 dB). Do chân GPIO của vi điều khiển không cấp đủ dòng trực tiếp cho còi, nhóm tác giả thiết kế mạch công tắc điện tử dùng transistor NPN S8050D ($h_{FE} = 200$). Dòng kích cực nền được tính toán: $$I_B = \frac{I_C}{h_{FE}} = \frac{15\text{ mA}}{200} = 0.075\text{ mA}$$ Từ điện áp điều khiển ngõ ra của vi điều khiển, điện trở hạn dòng cực nền $R_B$ được chọn giá trị $1\text{ k}\Omega$ (thỏa mãn điều kiện $R_{Bmax} < 38.6\text{ k}\Omega$) và điện trở kéo xuống $R_{PD} = 10\text{ k}\Omega$ để triệt tiêu dòng rò kích sai.
• Khối nguồn: Nguồn cấp sử dụng pin cúc áo CR2032 (3V, dung lượng danh định 20 mA liên tục). Khi ở chế độ nghỉ/quảng bá, vi điều khiển tiêu thụ khoảng 0.24 mA; khi kích hoạt còi cảnh báo, tổng dòng tiêu thụ của mạch đạt 15.24 mA, đảm bảo mạch hoạt động an toàn trong giới hạn cung cấp của pin.

Firmware cho nRF51822 được biên dịch bằng công cụ Keil µVision5 và nạp qua chuẩn giao tiếp SWD bằng mạch nạp ST-Link V2. Giải thuật phần cứng khởi tạo cấu hình UUID, địa chỉ MAC, tên thiết bị rồi phát quảng bá BLE. Khi nhận chuỗi ký tự điều khiển "buzzer" từ điện thoại gửi qua đặc tính GATT, vi điều khiển sẽ kích hoạt chân GPIO lên mức cao trong thời gian 2 giây để còi kêu, sau đó tự động tắt về trạng thái chờ.

2. Thiết kế phần mềm di động

Phần mềm Android được xây dựng hoàn toàn bằng ngôn ngữ Kotlin, tổ chức theo kiến trúc MVVM:

• Tầng View: Giao diện người dùng gồm màn hình quét và màn hình quản lý, hiển thị danh sách thiết bị cuộn linh hoạt kèm trạng thái kết nối.
• Tầng ViewModel: Sử dụng Kotlin Coroutine để xử lý bất đồng bộ các tác vụ quét Bluetooth, cập nhật liên tục giá trị cường độ tín hiệu thu nhận (RSSI) và tính toán ngưỡng cảnh báo mà không gây giật lag giao diện.
• Tầng Model & Database: Sử dụng thư viện Room trên nền SQLite để lưu trữ cục bộ danh sách địa chỉ MAC, tên định danh và cấu hình cảnh báo của các thiết bị được người dùng chọn theo dõi.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày bối cảnh ra đời của đề tài trong xu thế phát triển của công nghệ kết nối tầm ngắn thuộc lĩnh vực IoT. Tác giả phân tích nhu cầu theo dõi đồ đạc cá nhân trong đời sống thực tế và sự cần thiết của một giải pháp định vị không dây đơn giản, chi phí hợp lý. Chương 1 xác lập mục tiêu thiết kế hệ thống phần cứng và ứng dụng di động; xác định phạm vi hoạt động ổn định trong bán kính 30 mét, yêu cầu nền tảng Android từ phiên bản 12 trở lên; đồng thời nêu rõ các phương pháp nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và cấu trúc tổng thể 5 chương của quyển báo cáo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 hệ thống hóa toàn bộ nền tảng kiến thức kỹ thuật phục vụ cho việc thực hiện đề tài:

• Phân tích chi tiết công nghệ Bluetooth Low Energy, so sánh sự khác biệt kỹ thuật giữa Bluetooth thông thường và BLE về mặt tiêu thụ năng lượng, tốc độ, thông lượng và phạm vi hoạt động.
• Trình bày các ứng dụng thực tế điển hình của BLE như thiết bị định vị Apple AirTag, vòng đeo tay theo dõi sức khỏe Xiaomi Band 8 và công nghệ thẻ quảng bá Beacon trong bán lẻ.
• Phân loại thiết bị BLE thành ba nhóm: Bluetooth Smart, Bluetooth Smart Ready và Bluetooth truyền thống.
• Khảo sát các thông số kỹ thuật chi tiết của phần cứng: vi điều khiển Nordic nRF51822, module thương mại Holyiot BLE iBeacon YJ-15044 (sử dụng pin CR2477 dung lượng 1000 mAh), còi buzzer 3V và mạch nạp ST-Link V2.
• Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Kotlin (lịch sử hình thành, tính năng Null Safety, Data Class, Coroutine) so với ngôn ngữ Java, cùng môi trường phát triển tích hợp Keil µVision5 chuyên dụng cho vi điều khiển ARM Cortex-M.

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 là phần trọng tâm về kỹ thuật, mô tả chi tiết quy trình tính toán và thiết kế hệ thống:

• Thiết lập bảng yêu cầu kỹ thuật chi tiết cho phần cứng (thu phát chuẩn BLE 4.0 trở lên, còi âm lượng >65 dB, pin hoạt động dài hạn, kích thước nhỏ) và phần mềm (tương thích Android 12+, tối ưu hiệu năng quét, lưu trữ dữ liệu cục bộ).
• Xây dựng sơ đồ khối và sơ đồ kết nối điện học của module thu phát giữa nRF51822, mạch chuyển mạch transistor S8050D, buzzer 3V và khối nguồn pin CR2032.
• Lập bảng tính toán tham số dòng điện, điện áp và giá trị các điện trở $R_B$, $R_{PD}$.
• Thiết kế lưu đồ giải thuật cho firmware phần cứng (xử lý chuỗi điều khiển nhận được qua BLE để bật buzzer 2 giây).
• Xây dựng sơ đồ khối chức năng và lưu đồ giải thuật của phần mềm Android cho hai tác vụ chính: chức năng quét thiết bị (lọc theo tên hoặc thiết bị không tên, thêm thiết bị vào danh sách theo dõi) và chức năng quản lý thiết bị (giám sát chỉ số RSSI theo thời gian thực, kích hoạt còi cảnh báo từ xa, gửi cảnh báo rung/chuông khi ngắt kết nối).

Chương 4: Kết quả

Chương 4 công bố kết quả thi công thực tế và đánh giá hiệu năng hệ thống:

• Trình bày sản phẩm mô hình phần cứng iBeacon hoàn thiện sau khi tích hợp vi điều khiển, còi báo và mạch nguồn.
• Giới thiệu kết quả giao diện ứng dụng Android đã lập trình: Màn hình chính, giao diện quét thiết bị với bộ lọc linh hoạt, và giao diện theo dõi danh sách thiết bị quản lý.
• Đánh giá hoạt động thực nghiệm của các chức năng: Quá trình quét và nhận diện thiết bị BLE diễn ra ổn định; dữ liệu thiết bị được ghi nhớ chính xác trong bộ nhớ máy; phản hồi cảnh báo rung và âm thanh trên điện thoại kích hoạt ngay khi thiết bị vượt khỏi bán kính kết nối 30 mét; còi buzzer phát âm lượng to, rõ ràng khi nhận lệnh tìm kiếm từ ứng dụng.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối cùng tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu so với các chỉ tiêu ban đầu đặt ra trong Chương 1. Tác giả khẳng định hệ thống đã đáp ứng tốt các yêu cầu về khả năng kết nối, tính tiện dụng của phần mềm và độ tin cậy của tính năng cảnh báo. Đồng thời, chương này vạch ra các định hướng mở rộng đề tài trong tương lai nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình hệ thống quản lý tài sản cá nhân với các thông số kỹ thuật thực tế sau:

Hạng mục kiểm tra	Yêu cầu kỹ thuật đề ra	Kết quả thực nghiệm đạt được
Chuẩn truyền thông	Bluetooth Low Energy 4.0 trở lên	Tương thích chuẩn BLE trên nRF51822
Bán kính theo dõi ổn định	Trong phạm vi 30 mét	Hoạt động tin cậy trong phạm vi $\le 30$ m
Cường độ âm thanh còi	Độ lớn âm thanh yêu cầu $>65\text{ dB}$	Đạt mức tối đa xấp xỉ 80 dB (ở 3V)
Thời gian kích hoạt còi	Cảnh báo tức thời khi có lệnh	Buzzer phát âm thanh liên tục 2 giây rồi ngắt
Thời gian đáp ứng kết nối	Nhanh, không làm treo ứng dụng	Độ trễ thiết lập kết nối BLE đạt chuẩn (~3 ms)
Nền tảng di động hỗ trợ	Tối thiểu từ Android 12 trở lên	Chạy mượt mà trên Android 12+ (API level 31+)
Cơ chế xác thực người dùng	Không bắt buộc tài khoản	Hoạt động trực tiếp, không yêu cầu đăng nhập

Về mặt giải pháp kỹ thuật, tác giả đã đề xuất mạch điều khiển công tắc dòng dùng transistor S8050D kết hợp điện trở hạn dòng và điện trở kéo xuống chuẩn xác, giải quyết triệt để vấn đề hạn chế dòng cấp từ chân GPIO của dòng chip ARM Cortex-M0 sang phụ tải còi báo. Việc sử dụng công cụ ST-Link V2 thay thế cho dòng J-Link thương mại đắt tiền giúp giảm đáng kể chi phí phát triển và sản xuất mạch thử nghiệm.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc xây dựng một giải pháp định vị tài sản cá nhân có chi phí thấp, thiết kế nhỏ gọn, mã nguồn mở trên nền tảng di động phổ biến. Khác với các hệ sinh thái đóng thương mại, ứng dụng không yêu cầu thu thập thông tin danh tính người dùng, bảo vệ quyền riêng tư và có thể dễ dàng mở rộng để quản lý đa dạng các loại thẻ tag BLE khác nhau trên thị trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Bên cạnh những kết quả đạt được, đồ án tồn tại một số hạn chế kỹ thuật đã được văn bản báo cáo chỉ rõ:

• Phạm vi hoạt động bị giới hạn: Bán kính làm việc chỉ đạt hiệu quả ổn định trong phạm vi 30 mét trở lại. Trong điều kiện môi trường thực tế có nhiều vật cản như tường bê tông, cửa kim loại hoặc nhiễu sóng vô tuyến từ các thiết bị khác, tín hiệu BLE có hiện tượng chập chờn hoặc mất kết nối tạm thời.
• Giới hạn phiên bản hệ điều hành: Ứng dụng chỉ có thể cài đặt và vận hành trên các thiết bị chạy Android 12 trở lên do phụ thuộc vào các API quản lý quyền truy cập Bluetooth mới, chưa hỗ trợ các phiên bản Android cũ hơn cũng như nền tảng iOS.
• Chưa hỗ trợ bảo mật và định vị chuyên sâu: Hệ thống chưa tích hợp các cơ chế bảo mật nâng cao (mã hóa đường truyền, ghép nối pairing/bonding) và chưa có khả năng tính toán tọa độ khoảng cách không gian chính xác trong nhà.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được nhóm tác giả định hướng bao gồm:

• Tối ưu hóa thuật toán lọc nhiễu tín hiệu RSSI để cải thiện độ chính xác trong việc ước lượng khoảng cách tương đối giữa điện thoại và tài sản.
• Nghiên cứu cơ chế quản lý năng lượng sâu hơn cho vi điều khiển để kéo dài tuổi thọ pin cúc áo lên từ 1 đến 2 năm.
• Nâng cấp ứng dụng di động để hỗ trợ các phiên bản hệ điều hành Android thấp hơn hoặc phát triển phiên bản đa nền tảng (Cross-platform) cho cả hệ điều hành iOS.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn dành cho:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông và Công nghệ Thông tin: Đặc biệt hữu ích cho những sinh viên đang làm đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp liên quan đến lập trình hệ thống nhúng với chip nRF51822/nRF52 và lập trình ứng dụng di động Android BLE bằng ngôn ngữ Kotlin.
• Kỹ sư phát triển thiết bị IoT: Tham khảo cách thiết kế mạch công tắc kích còi cảnh báo cho vi điều khiển nguồn thấp, sơ đồ phối ghép linh kiện với pin cúc áo và phương pháp nạp firmware nRF51 bằng mạch nạp ST-Link V2.
• Nội dung đáng tham khảo nhất: Chương 3 với bảng tính toán thông số mạch đóng ngắt transistor cho tải buzzer, lưu đồ giải thuật phần cứng xử lý chuỗi ký tự qua chuẩn GATT, và mô hình kiến trúc MVVM xử lý tác vụ quét/quản lý thiết bị BLE không đồng bộ trên Android 12.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống chỉ hỗ trợ các thiết bị chạy hệ điều hành Android 12 trở lên?
Do từ phiên bản Android 12 (API level 31), Google đã thay đổi toàn bộ cơ chế bảo mật và phân quyền truy cập Bluetooth (như BLUETOOTH_SCAN, BLUETOOTH_CONNECT tách biệt khỏi quyền vị trí). Ứng dụng được viết bằng các API Bluetooth mới này nên không tương thích ngược với các phiên bản Android đời thấp hơn.

2. Mạch điều khiển khối cảnh báo trên thẻ phát BLE sử dụng linh kiện gì và được tính toán như thế nào?
Khối cảnh báo dùng còi buzzer chủ động 3V ($I_C = 15\text{ mA}$) kết hợp với transistor NPN S8050D ($h_{FE} = 200$). Dòng cực nền tính toán là $I_B = 0.075\text{ mA}$. Tác giả đã bố trí điện trở hạn dòng cực nền $R_B = 1\text{ k}\Omega$ và điện trở kéo xuống $R_{PD} = 10\text{ k}\Omega$ để bảo đảm transistor đóng/ngắt dứt khoát khi nhận lệnh từ GPIO của nRF51822.

3. Cơ chế kích hoạt còi báo giữa điện thoại và module phần cứng hoạt động ra sao?
Khi người dùng bấm nút gửi tín hiệu cảnh báo trên ứng dụng Android, điện thoại sẽ gửi một chuỗi ký tự văn bản có nội dung "buzzer" thông qua kết nối BLE GATT đến vi điều khiển nRF51822. Firmware trên vi điều khiển khi nhận diện đúng chuỗi này sẽ bật chân GPIO mức cao trong đúng 2 giây để còi kêu rồi tự động ngắt.

4. Vì sao nhóm tác giả sử dụng mạch nạp ST-Link V2 thay vì J-Link theo khuyến cáo của nhà sản xuất chip nRF51822?
Mặc dù Nordic Semiconductor khuyến nghị sử dụng công cụ Segger J-Link để nạp và gỡ lỗi dòng chip nRF51822, nhưng do chi phí của thiết bị J-Link chính hãng rất cao, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn ST-Link V2 (giao tiếp qua chuẩn SWD) như một giải pháp thay thế hiệu quả về mặt kinh phí mà vẫn đáp ứng đầy đủ tính năng nạp firmware trên môi trường Keil µVision5.

5. Hệ thống xử lý cảnh báo thất lạc đồ đạc như thế nào khi tài sản rời khỏi tầm kiểm soát?
Khi người dùng bật chế độ quản lý cho một tài sản, ứng dụng sẽ liên tục giám sát trạng thái kết nối và cường độ tín hiệu RSSI. Nếu điện thoại di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng của thẻ iBeacon (vượt quá khoảng cách xấp xỉ 30 mét hoặc mất tín hiệu), ứng dụng Android sẽ tự động kích hoạt đồng thời ba hình thức cảnh báo: rung máy, phát âm thanh chuông báo động và hiển thị thông báo khẩn cấp trên màn hình.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống quản lý tài sản cá nhân" của sinh viên Phan Tấn Lộc và Nguyễn Đức Huy đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế phần cứng và phần mềm theo đúng nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra. Hệ thống kết hợp hiệu quả giữa vi điều khiển tiết kiệm năng lượng nRF51822 và ứng dụng Android xây dựng bằng Kotlin theo mô hình MVVM, đem lại khả năng theo dõi tài sản và cảnh báo thất lạc tin cậy trong bán kính 30 mét. Công trình là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật cao cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành trong việc phát triển các thiết bị IoT định vị tầm ngắn với chi phí tối ưu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tổng quan: Giới thiệu về lý do chọn đề tài. Chỉ rõ được mục tiêu, giới hạn đề tài, đối tượng và phương nghiên cứu của đề tài đang thực hiện. Từ đó, định hướng phát triển các chương tiếp theo.  Chương 2 Cơ sở lý thuyết: Trình bày về các cơ sở lý thuyết đã được thực hiện nghiên cứu và tổng hợp từ trước đó để xây dựng đề tài.

 Chương 3 Thiết kế hệ thống: Thực hiện xây dựng phần cứng và phần mềm để hoàn thiện hệ thống, xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ chức năng, sơ đồ nguyên lý, hoàn thiện chức năng cho hệ thống.  Chương 4 Kết quả: Thực hiện kiểm tra đánh giá các chức năng đã được yêu cầu của hệ thống về phần cứng và phần mềm.  Chương 5 Kết luận và hướng phát triển: Kết luận về đề tài với những thành quả đã làm và đạt được so với yêu cầu hệ thống đã đề ra trước đó, bên cạnh đó sẽ nêu lên hướng phát triển mở rộng cho đề tài trong tương lai. 6 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ BLUETOOTH LOW ENERGY 2.1 Giới thiệu về Bluetooth Low Energy (BLE) "Bluetooth Low Energy, còn được biết đến với các tên gọi khác như BLE, Bluetooth Smart hay Bluetooth LE, là một công nghệ mạng không dây nổi bật nhờ khả năng tiêu thụ điện năng cực thấp.

Công nghệ này thường được sử dụng để kết nối các thiết bị với nhau trong phạm vi gần. Ban đầu, công nghệ này được Nokia giới thiệu vào khoảng năm 2006 với tên gọi Wibree. Đến năm 2010, tổ chức Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) đã tích hợp Wibree vào tiêu chuẩn Bluetooth 4.0, với tên gọi mới là Bluetooth Low Energy (BLE). Việc tích hợp này nhằm mục đích tối ưu hóa khả năng tiết kiệm năng lượng khi truyền dữ liệu.1: Bluetooth Low Energy [1].0 là phiên bản tổng hợp bao gồm cả Bluetooth truyền thống và Bluetooth Low Energy (BLE), kết hợp các công nghệ trước đó như BR/EDR/AMP.

Tuy nhiên, BLE không phải là bản cải tiến từ Bluetooth truyền thống, mà là một công nghệ hoàn toàn mới được thiết kế riêng cho các ứng dụng trong lĩnh vực Internet of Things (IoT), nơi dữ liệu được truyền với dung lượng nhỏ và tốc độ thấp.2 Điểm khác biệt giữa Bluetooth thông thường và Bluetooth Low Energy Thực chất, hai công nghệ này được sử dụng cho những mục đích rất khác nhau: Bảng 2.1: Sự khác biệt giữa bluetooth thông thường và low energy [2]. Bluetooth thông thường Bluetooth năng lượng thấp Tần số vô tuyến 2.4G Khoảng cách 10m >60m Tốc độ truyền dữ liệu 1-3Mbps 1Mbps Thông lượng 0.1Mbps 305kbps Bảo mật 64bit, 128bit 128-bit AES Mức độ tiêu thụ năng lượng thấp rất thấp Nhà sản xuất Bluetooth SIG Bluetooth SIG Cấu trúc lên kết mạng Point-to-Point Scatternet Point-to-Point Star Sự khác nhau giữa bluetooth thông thường và bluetooth năng lượng thấp:  Bluetooth truyền thống phù hợp với các tình huống cần xử lý và truyền tải lượng dữ liệu lớn, chẳng hạn như âm thanh hoặc video. Tuy nhiên, công nghệ này tiêu tốn nhiều năng lượng hơn và thường đi kèm với chi phí cao hơn.  Bluetooth Low Energy (BLE) lại được thiết kế cho những ứng dụng không đòi hỏi truyền dữ liệu lớn.

Nhờ vào việc chỉ gửi đi một lượng nhỏ thông tin, thiết bị sử dụng BLE có thể hoạt động trong thời gian dài chỉ với nguồn pin 8 nhỏ, giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng và chi phí, do không cần duy trì kết nối liên tục. Ứng dụng của BLE Bluetooth Low Energy được phát triển với mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất cho người dùng, đặc biệt là trong các thiết bị thuộc hệ sinh thái IoT.