Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Theo số liệu đánh giá được trích dẫn trong văn bản, Việt Nam đang là quốc gia có mức độ lãng phí điện gấp 6 lần mức trung bình của thế giới, đồng thời tốc độ gia tăng nhu cầu điện năng trong nước đã vượt xa tốc độ tăng trưởng tổng sản phẩm nội địa (GDP). Cụ thể, trong giai đoạn 10 năm từ 2004 đến 2014, để tạo ra 1 USD GDP, nền kinh tế Việt Nam tiêu tốn 0,9 kWh điện vào năm 2004 nhưng đã tăng lên mức 1,5 kWh điện vào năm 2014, tương ứng mức tăng 70% cường độ năng lượng tiêu thụ. Trong khi đó, các quốc gia trong khu vực có xu hướng giảm hoặc chỉ tăng nhẹ: Trung Quốc giảm 0,9%, Thái Lan giảm 3,2%, Philippines giảm 17,4%, Malaysia và Indonesia tăng nhẹ từ 0,2% đến 8%. Riêng tại TP. Hồ Chí Minh, hệ thống các khu công nghiệp và khu chế xuất tiêu thụ xấp xỉ 20% tổng sản lượng điện toàn thành phố. Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) ghi nhận thực trạng lãng phí năng lượng nghiêm trọng tại các cơ quan, công sở và trường học, điển hình là thói quen không tắt thiết bị chiếu sáng, quạt sau giờ làm việc và duy trì nhiệt độ máy lạnh dưới 25°C.

Trước thực trạng đó, đề tài "Thiết kế hệ thống tiết kiệm năng lượng trong phòng học" được xây dựng nhằm mô phỏng giải pháp tự động hóa quản lý năng lượng trường học dựa trên lịch trình hoạt động thực tế và dữ liệu cảm biến môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định gồm:

  • Mục tiêu tổng quát: Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống hỗ trợ tiết kiệm điện năng từ bo mạch phần cứng đến các thiết bị điện sử dụng trong phòng học; xây dựng trang web tương tác với mô hình đảm bảo tính thẩm mỹ, cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, dễ lắp đặt và vận hành ổn định.
  • Mục tiêu chi tiết (được chia thành 4 phần):
    1. Xây dựng phần thu nhận dữ liệu cảm biến để đo đạc các thông số môi trường tự nhiên và điều khiển thiết bị ngoại vi.
    2. Thiết lập kênh truyền dữ liệu giữa khối phần cứng cục bộ và máy chủ web.
    3. Xây dựng giao diện web phục vụ công tác theo dõi trạng thái thiết bị và cập nhật thời khóa biểu cho từng phòng học.
    4. Triển khai phương án tiết kiệm năng lượng nhằm đảm bảo hệ thống vận hành ở mức tiêu thụ công suất tối ưu.

Đồ án đặt ra 6 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Đo nhiệt độ phòng học thông qua cảm biến kỹ thuật số DS18B20.
  2. Đo cường độ ánh sáng trong phòng học bằng cảm biến chuyên dụng BH1750.
  3. Kiểm tra và phát hiện chuyển động của người trong phòng học bằng cảm biến hồng ngoại thụ động PIR HC-SR501.
  4. Điều khiển điều biến độ rộng xung (PWM) đối với tải quạt và đèn chiếu sáng dựa trên dữ liệu môi trường đo được từ kit NodeMCU ESP8266 hoặc qua thao tác nút nhấn thủ công của người dùng.
  5. Thiết lập giao tiếp truyền dữ liệu từ kit NodeMCU ESP8266 lên máy chủ trung tâm Raspberry Pi B+.
  6. Xây dựng hệ thống giao diện web cho phép người quản lý giám sát trạng thái và chỉnh sửa thời khóa biểu phòng học.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kit điều khiển NodeMCU ESP8266; máy tính nhúng Raspberry Pi Model B+; các cảm biến môi trường (DS18B20, BH1750, PIR HC-SR501, RTC DS1307); module chuyển đổi relay, màn hình LCD 16x2 tích hợp mạch chuyển đổi I2C; hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL và giao diện web tương tác.
  • Phạm vi nghiên cứu: Lập trình nhúng trên vi điều khiển ESP8266 qua môi trường Arduino IDE; lập trình phần mềm quản lý và truyền thông socket mạng trên hệ điều hành Linux của Raspberry Pi B+ bằng ngôn ngữ C; thiết kế mạch giao tiếp phần cứng giữa cảm biến và cơ cấu chấp hành; xây dựng ứng dụng web bằng ngôn ngữ PHP (sử dụng phương thức truyền nhận POST) kết hợp hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL; thử nghiệm mô hình mô phỏng giới hạn ở quy mô 2 phòng học hoạt động theo cơ chế quản trị tập trung.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng các cơ sở lý thuyết phần cứng, chuẩn giao tiếp số và mô hình mạng sau:

  • Khung chuẩn giao tiếp phần cứng:
    • Chuẩn 1-Wire (Dallas Semiconductor): Giao tiếp bán song công không đồng bộ qua 1 dây tín hiệu chung (kèm điện trở kéo lên nguồn). Dữ liệu được định vị nhờ mã định danh duy nhất 64-bit lưu trong ROM của cảm biến DS18B20 (gồm 8-bit mã họ thiết bị, 48-bit số seri riêng và 8-bit mã kiểm tra CRC). Chu kỳ bit được thiết lập qua các khe thời gian chuẩn 60 µs, tín hiệu reset tối thiểu 480 µs (8 khe thời gian) và phản hồi presence pulse 60 µs từ slave.
    • Chuẩn I2C (Inter-Integrated Circuit - Philips): Giao tiếp nối tiếp 2 dây đồng bộ gồm chân dữ liệu hai chiều SDA và chân xung nhịp SCL, kết nối cực máng hở với điện trở kéo lên (pull-up) giá trị từ 1 kΩ đến 4,7 kΩ. Ứng dụng giao tiếp với cảm biến ánh sáng BH1750, module thời gian thực DS1307 và màn hình LCD 16x2.
    • Giao thức mạng TCP/IP: Cấu trúc 4 tầng chuẩn (Tầng liên kết, Tầng mạng, Tầng giao vận, Tầng ứng dụng) phục vụ truyền tải luồng dữ liệu giữa client ESP8266 và server Raspberry Pi qua mạng nội bộ không dây, hỗ trợ đóng gói từ dữ liệu ứng dụng, TCP segment, IP datagram đến khung truyền (frame).
    • Tiêu chuẩn độ rọi làm việc: Áp dụng định mức chiếu sáng tiêu chuẩn nơi làm việc được trích dẫn trong văn bản, quy định độ rọi phòng học tiêu chuẩn phải đạt ngưỡng từ 300 đến 350 lux (văn phòng yêu cầu tối thiểu 350 lux).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Nghiên cứu các chỉ dẫn kỹ thuật, sơ đồ chân và đặc tính điện áp/dòng tiêu thụ trong datasheet của ESP8266 ESP-12, Broadcom BCM2835 (Raspberry Pi), cảm biến DS18B20, BH1750, HC-SR501 và IC RTC DS1307.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật và chế tạo mô hình: Tính toán mạch đệm công suất điều khiển xung PWM, tích hợp diode dập xung cảm ứng ngược, phối ghép điện trở phân áp cho cực B transistor để giới hạn dòng kích của vi điều khiển dưới 12 mA; lắp ráp mô hình phòng học mô phỏng với hệ thống quạt 12VDC và dải LED thanh 12VDC.
  • Phương pháp thu thập và xử lý thực nghiệm: Thu nhận liên tục các thông số vật lý (nhiệt độ, quang thông, tín hiệu hồng ngoại) từ hệ thống cảm biến theo chu kỳ hoạt động; đo kiểm dòng tiêu thụ thực tế ở các trạng thái tĩnh, trạng thái hoạt động và các mức tải PWM bằng thiết bị đo dòng/áp chuyên dụng.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu được từ cảm biến môi trường; thông số đo dòng điện tiêu thụ của phần cứng và mạch tải; dữ liệu lịch trình học tập được lưu trữ và truy vấn trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc mạng phân tán gồm 1 máy chủ Gateway quản trị trung tâm kết nối với 2 nút vi điều khiển Client đại diện cho 2 phòng học độc lập:

Thành phần phần cứng Model / Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Bộ xử lý trung tâm (Server) Raspberry Pi Model B+ (ARM1176JZF-S 700 MHz, 512 MB RAM, BCM2835 SoC) Máy chủ trung tâm, quản lý lịch trình, phát Access Point Wi-Fi, cầu nối đẩy dữ liệu lên cơ sở dữ liệu MySQL
Khối thu phát Wi-Fi Server USB Wi-Fi TP-Link TL-WN725N (Tốc độ 150 Mbps, chuẩn WPA-PSK/WPA2-PSK) Phát mạng không dây tên "Raspi", mật khẩu "12345678" tạo mạng cục bộ kết nối các client
Bộ điều khiển Client NodeMCU ESP8266 (ESP-12 SoC, 10 chân GPIO mức logic 3,3V, tích hợp PWM, I2C, One-Wire) Thu thập tín hiệu cảm biến, điều khiển PWM thiết bị, truyền trạng thái về Server qua TCP/IP
Cảm biến nhiệt độ Dallas DS18B20 (Độ phân giải 12-bit, dải đo -55°C đến +125°C, chuẩn TO-92) Đo nhiệt độ phòng học qua chân D3 theo chuẩn One-Wire
Cảm biến ánh sáng BH1750 (ADC 16-bit, dải đo 1 - 65.535 lux, chế độ đo H-Resolution) Đo độ rọi phòng học qua giao tiếp I2C (chân D1-SCL, D2-SDA)
Cảm biến chuyển động PIR HC-SR501 (Góc quét 360°, khoảng cách phát hiện tối đa 6m, dòng nghỉ 50 µA) Phát hiện người vào lớp, xuất tín hiệu logic mức cao (3,3V) về chân D0
Đồng hồ thời gian thực Module RTC DS1307 (Đi kèm EEPROM AT24C32 32 Kbit, pin dự phòng duy trì 10 năm) Cung cấp mốc thời gian chuẩn xác qua giao tiếp I2C cho Raspberry Pi
Khối chấp hành công suất 2 Quạt tản nhiệt 12VDC (0,1A) và 2 LED thanh 12VDC (~20W/m/72 led, >25.000 giờ) Thiết bị mô phỏng hệ thống quạt làm mát và đèn chiếu sáng phòng học
Mạch lái tải PWM Transistor NPN 2N2222A ($V_{CEO}=30V, I_C=800mA$), Diode 1N4007, tụ gốm 104, điện trở $1k\Omega - 2,2k\Omega$ Mạch khuếch đại đệm xung PWM từ chân GPIO của ESP8266 để điều khiển quạt và đèn 12V
Khối chuyển mạch nguồn Module Relay 2 kênh (kích 0V, chịu dòng AC 250V/10A, DC 30V/10A) Raspberry Pi điều khiển đóng/ngắt nguồn cấp chính cho các bo mạch ESP8266
Nguồn cung cấp 2 cell pin 18650 mắc nối tiếp (8,4V) qua mạch hạ áp cấp 5V cho ESP; adapter 12V cho tải; adapter 5V cho Pi Cung cấp năng lượng độc lập cho từng phân hệ mạch

Về mặt phần mềm và thuật toán điều khiển:

  • Phân hệ phần mềm Client (NodeMCU ESP8266): Lập trình bằng ngôn ngữ C trên nền Arduino IDE. Vòng lặp điều khiển thực thi các hàm chuyên biệt: setup() cấu hình I2C, One-Wire và kết nối Wi-Fi "Raspi"; cambien() đọc giá trị DS18B20 và BH1750; auto_manual() phân nhánh chế độ tự động hoặc thủ công; dieu_khien_quat() và dieu_khien_den() xuất xung PWM; hien_thi_lcd() xuất chuỗi dữ liệu lên màn hình LCD 16x2; on_off_hethong() quản lý trạng thái tắt/bật khẩn cấp.
  • Quy tắc điều khiển tự động (Auto mode):
    • Kiểm tra tiết học trống: Tại thời điểm bắt đầu tiết học (ví dụ 7h00), Raspberry Pi kích relay đóng nguồn cho ESP8266 và cảm biến PIR bắt đầu quét. Nếu phát hiện chuyển động của người vào phòng, cảm biến chuyển trạng thái và các thiết bị bắt đầu hoạt động. Nếu sau 15 phút đầu giờ (đến 7h15) vẫn không có người, hệ thống kết luận tiết học trống, PIR ngắt và ESP8266 tự động chuyển sang chế độ tắt nguồn tải để triệt tiêu điện năng hao phí. Khi hết tiết học (7h45), Raspberry Pi ngắt relay đưa toàn bộ hệ thống phòng về trạng thái OFF.
    • Quy tắc điều biến quạt: Tự động điều chỉnh 3 mức tốc độ tương ứng theo dải nhiệt độ: nhiệt độ dưới 27°C hoạt động ở cấp 1; từ 27°C đến dưới 32°C hoạt động ở cấp 2; từ 32°C trở lên hoạt động ở cấp 3.
    • Quy tắc điều biến đèn: So sánh dữ liệu đo với khoảng chuẩn 300 - 350 lux. Nếu cường độ ánh sáng dưới 300 lux, hệ thống tăng dần chu kỳ nhiệm vụ PWM để tăng độ sáng; nếu vượt quá 350 lux, hệ thống giảm dần PWM cho đến khi độ rọi rơi vào dải 300 - 350 lux.
  • Phân hệ phần mềm Gateway Server (Raspberry Pi B+): Viết bằng ngôn ngữ C, đảm nhiệm socket server nhận chuỗi dữ liệu từ client qua TCP/IP, đọc dữ liệu thời gian thực từ module DS1307 để đối chiếu bảng phân phối thời khóa biểu, kích tín hiệu GPIO điều khiển module relay đóng/cắt nguồn điện phòng học, đồng thời sử dụng hàm thư viện Hcurl để gửi dữ liệu trạng thái lên web server qua phương thức HTTP POST.
  • Phân hệ Web Server và cơ sở dữ liệu: Xây dựng bằng ngôn ngữ PHP kết hợp cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL, cung cấp giao diện đăng nhập bảo mật, bảng hiển thị trạng thái hoạt động thực tế của thiết bị, giá trị nhiệt độ, độ rọi theo thời gian thực và trang quản trị cập nhật, tùy biến thời khóa biểu cho từng phòng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài thông qua các dữ liệu thực tế về cường độ sử dụng điện và thực trạng lãng phí năng lượng tại Việt Nam theo đánh giá của EVN, đồng thời dẫn chứng số liệu phụ tải tiêu thụ tại các khu công nghiệp, khu chế xuất TP. Hồ Chí Minh. Tác giả xác lập rõ mục tiêu tổng quát, 4 mục tiêu cụ thể, 6 nhiệm vụ nghiên cứu cốt lõi cùng giới hạn đề tài ở mô hình mô phỏng 2 phòng học có kết nối Internet thông qua kiến trúc máy chủ nhúng.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung phân tích cấu trúc phần cứng, sơ đồ chân và các thông số hoạt động của các linh kiện sử dụng:

  • Bo mạch NodeMCU ESP8266 (SoC Wi-Fi ESP-12, 10 chân GPIO 3,3V, tích hợp chức năng PWM, I2C, SPI, 1-Wire và ADC A0).
  • Máy tính nhúng Raspberry Pi Model B+ (chip SoC Broadcom BCM2835, lõi ARM11 tốc độ 700 MHz, RAM 512 MB, cổng Ethernet, HDMI, 4 cổng USB và hệ thống chân GPIO đa năng).
  • Các thiết bị cảm biến và ngoại vi chuyên dụng: Cảm biến nhiệt độ DS18B20 với bộ nhớ ROM 64-bit; cảm biến ánh sáng BH1750 tích hợp bộ chuyển đổi ADC 16-bit và 3 chế độ đo phân giải; module thời gian thực DS1307 tích hợp EEPROM AT24C32; cảm biến hồng ngoại PIR HC-SR501 góc quét 360°; module relay 1 kênh và 2 kênh; quạt tản nhiệt 12VDC (0,1A); dải LED thanh 12VDC (>25.000 giờ chiếu sáng).
  • Các giao thức truyền thông: Phân tích cơ chế hoạt động khe thời gian 60 µs của chuẩn 1-Wire, cơ chế truyền nhận dữ liệu đồng bộ của bus I2C và mô hình phân tầng đóng gói dữ liệu của bộ giao thức TCP/IP.

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày chi tiết quy trình thiết kế phần cứng và phần mềm của đồ án:

  • Thiết kế phần cứng: Xây dựng sơ đồ khối tổng quát và sơ đồ nguyên lý chi tiết; phân tích mạch công suất đệm xung PWM sử dụng transistor NPN 2N2222A kết hợp diode 1N4007 dập xung ngược bảo vệ linh kiện; tính toán giá trị điện trở kích dòng cực Base từ 1 kΩ đến 2,2 kΩ để dòng điều khiển chân GPIO không vượt quá ngưỡng giới hạn 12 mA (thực tế mạch đo đạt khoảng 5 mA); bố trí kết nối khối nguồn dùng pin 18650 qua mạch giảm áp 5V và nguồn 12V riêng biệt cho tải ngoại vi.
  • Thiết kế phần mềm: Xây dựng hệ thống lưu đồ thuật toán chi tiết cho cả hai nền tảng:
    • Trên NodeMCU: Lưu đồ chương trình khởi tạo setup(), chương trình vòng lặp chính loop(), lưu đồ giải thuật đọc cảm biến cambien(), lưu đồ phân nhánh chế độ tự động và thủ công auto_manual(), lưu đồ điều khiển tốc độ quạt dieu_khien_quat(), lưu đồ điều chỉnh độ rọi đèn dieu_khien_den(), lưu đồ hiển thị LCD hien_thi_lcd() và lưu đồ đóng ngắt khẩn cấp on_off_hethong().
    • Trên Raspberry Pi: Lưu đồ chương trình chính main(), lưu đồ đọc thời gian thực từ DS1307, lưu đồ bóc tách chuỗi thời gian tachtime1(), tachtime2(), lưu đồ đối chiếu lịch trình kiem tra thoi khoa bieu(), lưu đồ xử lý socket mạng và lưu đồ đẩy dữ liệu bằng thư viện cURL Hcurl() lên Web Server.

Chương 4: Kết quả mô hình thi công

Chương 4 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được sau quá trình thi công:

  • Hình ảnh thực tế của hệ sinh thái phần mềm: Giao diện dòng lệnh (Command Prompt) trên Raspberry Pi ghi nhận các sự kiện client kết nối/ngắt kết nối; giao diện đăng nhập web server; trang hiển thị dữ liệu đo đạc nhiệt độ, độ rọi và trạng thái thiết bị theo thời gian thực; giao diện lập lịch và chỉnh sửa thời khóa biểu phòng học.
  • Hình ảnh hoàn thiện của mô hình cơ khí - điện tử: Bố trí không gian phòng học mô phỏng 2 phòng với đầy đủ khối cảm biến, màn hình LCD và tải ngoại vi (quạt, đèn).
  • Số liệu đo đạc thực nghiệm: Ghi nhận thông số dòng điện, điện áp và công suất tiêu thụ của bo mạch điều khiển ESP8266, tải đèn LED và tải quạt ở các chế độ làm việc khác nhau, chứng minh tính khả thi của giải pháp điều khiển giảm thiểu năng lượng.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo các mục tiêu đề ra ban đầu tại Chương 1, phân tích các ưu điểm và hạn chế kỹ thuật của hệ thống, đồng thời xác lập các giải pháp nâng cấp trong giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Hệ thống đã được chế tạo và vận hành thực nghiệm trên mô hình vật lý 2 phòng học, đạt được các kết quả cụ thể:

  • Vận hành tự động hóa chính xác theo thời khóa biểu: Module RTC DS1307 đồng bộ thời gian thực giúp máy chủ Raspberry Pi điều khiển relay bật nguồn phòng học đúng giờ quy định.
  • Cơ chế cắt giảm năng lượng giờ trống: Trong khoảng thời gian 15 phút đầu tiết học (ví dụ 7h00 đến 7h15), cảm biến PIR HC-SR501 quét phát hiện sự có mặt của người trong phòng. Nếu không có chuyển động, hệ thống tự động tắt nguồn phòng học và hủy phiên làm việc của tiết học đó, loại bỏ hoàn toàn tình trạng thiết bị hoạt động lãng phí khi vắng sinh viên.
  • Cơ chế điều khiển thông minh theo dữ liệu cảm biến:
    • Tải quạt 12VDC được điều chỉnh công suất tự động theo 3 cấp tốc độ thông qua mạch PWM tùy theo nhiệt độ môi trường đo được từ DS18B20 (< 27°C, 27°C - 32°C, và >= 32°C).
    • Tải LED thanh 12VDC được tự động bù sáng bằng PWM theo tín hiệu phản hồi từ cảm biến BH1750, duy trì độ rọi phòng học luôn ổn định trong khoảng tiêu chuẩn từ 300 đến 350 lux.
  • Giao diện giám sát và điều khiển: Hoàn thiện hệ thống web trực tuyến trên nền PHP/MySQL, hiển thị trực quan thông số nhiệt độ, ánh sáng, trạng thái quạt/đèn và hỗ trợ cập nhật thời khóa biểu trực tiếp.
  • Mạch công suất an toàn: Mạch đệm transistor 2N2222A với điện trở phân áp bảo vệ thành công các chân GPIO của ESP8266 với dòng kích đo được duy trì ở mức 5 mA (nhỏ hơn định mức tối đa 12 mA của chân vi điều khiển).

Đóng góp kỹ thuật do các tác giả tự xác định:

  • Xây dựng thành công mô hình hệ thống quản lý năng lượng trường học quy mô nhỏ kết hợp giữa máy tính nhúng Raspberry Pi B+ (đóng vai trò Gateway trung tâm) và các nút vi điều khiển Wi-Fi NodeMCU ESP8266 giá thành thấp.
  • Đề xuất và hiện thực hóa thuật toán tiết kiệm điện năng đa lớp: Kết hợp quản lý vĩ mô theo thời khóa biểu học tập, quản lý vi mô bằng cảm biến hiện diện người (cửa sổ thời gian 15 phút) và điều khiển tối ưu công suất tải cục bộ bằng thuật toán PWM bám sát các tiêu chuẩn chiếu sáng phòng học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Hệ thống mới dừng lại ở việc kiểm nghiệm trên mô hình mô phỏng quy mô nhỏ (2 phòng học) với tải ngoại vi một chiều 12VDC công suất thấp (quạt nhỏ 0,1A, dải LED thanh), chưa thử nghiệm trực tiếp trên hệ thống điện lưới xoay chiều 220VAC với tải công suất lớn như quạt trần, hệ thống máy điều hòa không khí và dàn đèn huỳnh quang công nghiệp.
  • Mức độ khai thác năng lực phần cứng của các chip xử lý (kit NodeMCU ESP8266 và máy tính nhúng Raspberry Pi Model B+) chỉ ở mức trung bình, chưa tận dụng hết các tập lệnh và tính năng nâng cao của SoC.
  • Kiến trúc phụ thuộc hoàn toàn vào hạ tầng mạng không dây nội bộ; các tính năng chưa có độ phức tạp cao trong việc xử lý tình huống mất kết nối mạng đột ngột.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Mở rộng số lượng node Client để có thể quản lý đồng thời toàn bộ các dãy phòng học trong khuôn viên trường học.
  • Nâng cấp mạch điều khiển công suất để tương thích và điều khiển an toàn các thiết bị điện 220VAC công suất cao thực tế trong giảng đường.
  • Tối ưu hóa thuật toán điều khiển và mở rộng các tính năng phân tích dữ liệu chuyên sâu trên giao diện máy chủ web.

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo thực tiễn đối với:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa và Công nghệ Thông tin đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về đề tài Internet of Things (IoT), Nhà thông minh (Smart Home) hoặc Trường học thông minh (Smart Campus).
  • Các nhà nghiên cứu và người phát triển hệ thống nhúng cần tài liệu thiết kế mạch đệm công suất điều khiển xung PWM sử dụng transistor NPN kết hợp diode bảo vệ dập xung cảm ứng, có tính toán giới hạn dòng an toàn cho cổng GPIO của vi điều khiển.
  • Người học cần tài liệu tham khảo về mô hình phân tầng Gateway - Node mạng: Quy trình cấu hình Raspberry Pi làm điểm truy cập Wi-Fi (Access Point) phát mạng nội bộ, cơ chế truyền thông socket TCP/IP giữa ESP8266 và Raspberry Pi, cùng phương thức chuyển tiếp dữ liệu lên hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL bằng thư viện cURL trong môi trường Linux.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống xử lý như thế nào nếu một phòng học có lịch trên thời khóa biểu nhưng thực tế không có sinh viên đến học?

Hệ thống giải quyết thông qua thuật toán quét hiện diện bằng cảm biến PIR HC-SR501. Đến thời điểm bắt đầu tiết học (ví dụ 7h00), Raspberry Pi kích hoạt relay cấp nguồn cho NodeMCU ESP8266 và cảm biến PIR bắt đầu dò tìm chuyển động. Cảm biến duy trì kiểm tra trong khoảng thời gian tối đa 15 phút (đến 7h15). Nếu không phát hiện chuyển động của người vào phòng, hệ thống coi tiết học đó là tiết trống, cảm biến PIR ngắt và ESP8266 tự động chuyển sang chế độ tắt nguồn tải, ngăn chặn việc thiết bị hoạt động gây lãng phí điện.

2. Ngưỡng thông số kỹ thuật nào được sử dụng để điều khiển quạt và đèn ở chế độ tự động (Auto)?

Chế độ tự động điều khiển thiết bị dựa trên các mốc thông số sau:

  • Tải quạt: Điều khiển theo 3 cấp tốc độ thông qua dữ liệu nhiệt độ của cảm biến DS18B20:
    • Dưới 27°C: Quạt chạy ở cấp 1.
    • Từ 27°C đến dưới 32°C: Quạt chạy ở cấp 2.
    • Từ 32°C trở lên: Quạt chạy ở cấp 3.
  • Tải đèn: Điều khiển bám theo tiêu chuẩn độ rọi phòng học (300 - 350 lux) thu thập từ cảm biến ánh sáng BH1750:
    • Khi cường độ sáng dưới 300 lux: Tự động tăng chu kỳ xung PWM để tăng độ sáng đèn cho đến khi đạt dải 300 - 350 lux.
    • Khi cường độ sáng vượt quá 350 lux: Tự động giảm chu kỳ xung PWM để hạ độ sáng đèn về khoảng 300 - 350 lux.

3. Tại sao trong mạch đệm PWM tác giả lại lựa chọn điện trở cực Base trong khoảng từ 1 kΩ đến 2,2 kΩ?

Chân GPIO của NodeMCU ESP8266 có định mức chịu dòng tối đa là 12 mA. Để điều khiển transistor NPN 2N2222A đóng ngắt nguồn 12V cho tải, nếu nối trực tiếp hoặc dùng điện trở quá nhỏ sẽ dẫn đến nguy cơ quá dòng gây hỏng chân vi điều khiển. Việc sử dụng điện trở phân áp giá trị từ 1 kΩ đến 2,2 kΩ giúp giới hạn cường độ dòng kích cấp vào cực Base ở mức khoảng 5 mA ($0,005\text{ A} < 12\text{ mA}$), vừa đủ để kích mở hoàn toàn transistor ở chế độ bão hòa, vừa bảo vệ an toàn cho vi điều khiển ESP8266.

4. Dữ liệu từ các nút điều khiển Client gửi về Web Server thông qua các giao thức và cơ chế truyền thông nào?

Dữ liệu từ Client NodeMCU ESP8266 được gửi về máy tính nhúng Raspberry Pi B+ qua kết nối Wi-Fi nội bộ bằng giao thức socket TCP/IP (Raspberry Pi phát mạng Access Point tên "Raspi"). Sau khi tiếp nhận và bóc tách dữ liệu từ các Client, Raspberry Pi sử dụng thư viện cURL trong chương trình C (hàm Hcurl) để đẩy các tham số môi trường và trạng thái thiết bị lên máy chủ Web Server thông qua phương thức HTTP POST, từ đó lưu trữ vào cơ sở dữ liệu MySQL.

5. Module thời gian thực DS1307 giữ vai trò gì trong kiến trúc hoạt động của hệ thống?

Module DS1307 được kết nối với Raspberry Pi qua chuẩn giao tiếp I2C, có nhiệm vụ lưu giữ và cung cấp các giá trị ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây chuẩn xác (ngay cả khi mất nguồn chính nhờ viên pin tích hợp có thời lượng lưu trữ lên đến 10 năm). Raspberry Pi liên tục đọc mốc thời gian thực này để đối chiếu với bảng thời khóa biểu lưu trong cơ sở dữ liệu, từ đó quyết định chính xác thời điểm xuất lệnh kích mở hoặc ngắt relay cấp nguồn cho từng phòng học.

Kết luận

Đồ án đã thiết kế và hiện thực hóa thành công mô hình hệ thống quản lý tiết kiệm năng lượng phòng học dựa trên nền tảng kết hợp giữa máy tính nhúng Raspberry Pi Model B+ và vi điều khiển NodeMCU ESP8266. Giải pháp tích hợp thành công cơ chế quản trị thiết bị đa cấp độ: tự động hóa theo thời khóa biểu thực tế, kiểm soát hiện diện bằng cảm biến hồng ngoại 15 phút đầu giờ và điều biến công suất tải bằng kỹ thuật PWM bám sát điều kiện môi trường. Mặc dù vẫn còn giới hạn ở quy mô mô phỏng tải một chiều 12VDC, cấu trúc phần cứng và phần mềm của đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho các hướng phát triển hệ thống điều khiển trường học thông minh trong thực tế.