Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học công nghệ, kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò thiết yếu trong các lĩnh vực quản lý, sản xuất công nghiệp và đời sống sinh hoạt. Nhu cầu giám sát và điều khiển thiết bị điện từ xa ngày càng gia tăng nhằm giúp người dùng tiết kiệm thời gian, đồng thời có thể quản trị hệ thống năng lượng mọi lúc, mọi nơi. Tác giả đồ án đã tiếp cận vấn đề này thông qua việc kế thừa và phân tích các công trình nghiên cứu đi trước, tiêu biểu như đề tài "Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Và Điều Khiển Thiết Bị Từ Xa" và "Sử Dụng Arduino Cập Nhật Thông Số Điều Khiển Ngôi Nhà Thông Minh".

Các nghiên cứu tiền nhiệm đã ứng dụng thành công việc điều khiển thiết bị thông qua giao diện máy chủ web hoặc tin nhắn SMS. Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất được tác giả chỉ ra là các hệ thống này chỉ điều khiển được một số lượng thiết bị hạn chế tại cự ly ngắn; nếu muốn mở rộng quy mô điều khiển nhiều thiết bị trong không gian lớn, hệ thống buộc phải sử dụng rất nhiều dây dẫn kết nối, dẫn đến tình trạng phức tạp trong lắp đặt và phát sinh hiện tượng nhiễu tín hiệu đường truyền. Nhằm giải quyết điểm nghẽn này, đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà kết hợp WiFi và LoRa" được thực hiện nhằm xây dựng một cấu trúc mạng không dây phân tầng, kết hợp mạng diện rộng công suất thấp với mạng cục bộ Internet.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể trong đồ án gồm:

  1. Thiết kế và thi công hoàn chỉnh các bo mạch phần cứng, bao gồm mạch điều khiển trung tâm và các mạch điều khiển nhánh (mạch điều khiển con).
  2. Xây dựng hệ thống phần mềm giám sát và điều khiển giao tiếp thông qua máy chủ web (Web server).
  3. Thiết kế và thi công hoàn thiện mô hình thực tế của một ngôi nhà để kiểm nghiệm khả năng vận hành của hệ thống.

Để đạt được các mục tiêu trên, tác giả đã xây dựng 11 nội dung nghiên cứu thực hiện theo trình tự:

  • Nội dung 1: Tìm hiểu, tham khảo các tài liệu chuyên ngành, giáo trình và các chủ đề nghiên cứu liên quan đến đề tài.
  • Nội dung 2: Thiết kế sơ đồ khối chức năng và sơ đồ nguyên lý chi tiết cho toàn bộ hệ thống.
  • Nội dung 3: Nghiên cứu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của các module phần cứng: NodeMCU ESP32S, SIM900A và LoRa Easy SX1276.
  • Nội dung 4: Nghiên cứu giải thuật và lập trình giao tiếp giữa ba module: NodeMCU ESP32S, LoRa Easy SX1276 và SIM900A.
  • Nội dung 5: Nghiên cứu giải thuật và lập trình giao tiếp điểm - điểm giữa module NodeMCU ESP32S và module LoRa Easy SX1276.
  • Nội dung 6: Thiết kế giao diện trang web phục vụ công tác giám sát trạng thái và điều khiển các thiết bị điện.
  • Nội dung 7: Viết các chương trình điều khiển tích hợp để giao tiếp đồng bộ giữa web hosting, module WiFi, vi điều khiển Arduino Mega 2560 và LoRa Easy SX1276.
  • Nội dung 8: Thiết kế kết cấu cơ khí và thi công mô hình phần cứng hoàn chỉnh.
  • Nội dung 9: Vận hành thử nghiệm mô hình thực tế và thực hiện cân chỉnh thông số hệ thống.
  • Nội dung 10: Tổng hợp kết quả và biên soạn quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp.
  • Nội dung 11: Bảo vệ đồ án tốt nghiệp trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn rõ ràng:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thu thập dữ liệu dòng điện, giám sát trạng thái và đóng cắt điều khiển thiết bị điện dân dụng thông qua môi trường truyền thông không dây kép (WiFi và sóng vô tuyến LoRa).
  • Phạm vi phần cứng: Sử dụng vi điều khiển trung tâm NodeMCU ESP32S, module truyền thông vô tuyến LoRa Easy SX1276, module mạng di động GSM/GPRS SIM900A, bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 và 03 cảm biến đo dòng điện ACS712 loại 20A.
  • Phạm vi không gian và mô hình: Hệ thống được tích hợp trên một mô hình ngôi nhà 3 phòng thi công bằng vật liệu formex với kích thước mặt bằng 40 x 40 cm.
  • Giới hạn chức năng: Hệ thống chỉ thực hiện giám sát trạng thái và điều khiển bật/tắt (ON/OFF) các phụ tải điện; điều khiển từ xa qua mạng Internet (tại các khu vực có sóng WiFi hoặc 3G) và thông qua tin nhắn SMS mạng di động.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai trong thời gian 17 tuần, bắt đầu giao nhiệm vụ từ tháng 04/2018 và hoàn thành bảo vệ vào tháng 07/2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên các chuẩn truyền thông vô tuyến hiện đại, lý thuyết vi điều khiển nhúng, cảm biến đo lường và kiến trúc ứng dụng web hướng dịch vụ:

  • Chuẩn truyền thông WiFi: Hoạt động dựa trên bộ tiêu chuẩn IEEE 802.11 (với các chuẩn con a/b/g/n), truyền tín hiệu trên hai dải tần số 2.4 GHz và 5 GHz. Tài liệu phân tích nguyên lý truyền dữ liệu vô tuyến hai chiều thông qua giao thức Internet (IP), các cơ chế quản lý năng lượng như WMM-PS, UAPSD và các chuẩn an toàn xác thực mạng WPA/WPA2 kết hợp phần cứng mã hóa AES.
  • Công nghệ truyền dữ liệu tầm xa LoRa (Long Range): Ứng dụng kỹ thuật điều chế trải phổ Chirp (Chirp Spread Spectrum - CSS) của hãng Semtech trên dải tần không cấp phép 433 MHz (dải hoạt động của chip từ 410 MHz đến 525 MHz). Dữ liệu gốc được băm bằng các xung cao tần thành tín hiệu chipped, sau đó mã hóa theo chuỗi sóng hình sin có tần số biến thiên theo thời gian (up-chirp đại diện cho bit 1, down-chirp đại diện cho bit 0). Cấu trúc gói tin vô tuyến (Radio packet) bao gồm bốn trường: Preamble, Header, Payload và Payload CRC.
  • Chuẩn mạng viễn thông di động GSM/GPRS: Sử dụng thông qua module SIM900A để tiếp nhận lệnh điều khiển và phát cảnh báo qua giao thức tin nhắn SMS khi hệ thống nằm ngoài vùng phủ sóng Internet.
  • Cảm biến dòng điện tích hợp: Sử dụng cảm biến ACS712 hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall để chuyển đổi dòng điện chạy qua tải thành điện áp ngõ ra tuyến tính với độ nhạy 100 mV/A, hoạt động ở điện áp nguồn 5V.
  • Nền tảng Web Server: Kiến trúc máy chủ web tiếp nhận yêu cầu HTTP từ trình duyệt máy khách, xử lý mã nguồn phía máy chủ thông qua ngôn ngữ kịch bản PHP (Personal Home Page) và lưu trữ trạng thái hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được tác giả áp dụng xuyên suốt đồ án:

  • Phương pháp tổng hợp tài liệu: Thu thập, phân tích thông số kỹ thuật (datasheet) của các vi điều khiển và module bán dẫn chuyên dụng.
  • Phương pháp thiết kế phần cứng: Phân chia hệ thống thành các khối chức năng độc lập (khối xử lý trung tâm, khối điều khiển ngoại vi, khối công suất, khối nguồn); tính toán sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch in (PCB) hai lớp.
  • Phương pháp lập trình nhúng: Sử dụng ngôn ngữ C/C++ trên môi trường Arduino IDE để lập trình dòng lệnh cho vi điều khiển; ứng dụng tập lệnh AT command để cấu hình tham số truyền nhận của module LoRa Easy SX1276 và module SIM900A qua cổng nối tiếp UART.
  • Phương pháp thiết kế giao diện: Ứng dụng phần mềm Macromedia/Adobe Dreamweaver xây dựng giao diện điều khiển trên nền tảng HTML, CSS và PHP kết nối máy chủ dữ liệu.
  • Phương pháp đo đạc, kiểm thử thực tế: Thi công mạch in thật, hàn linh kiện, gắn cảm biến đo dòng ACS712 trên tải thực tế và thử nghiệm độ trễ truyền nhận tín hiệu giữa khối trung tâm và các khối chấp hành thông qua môi trường sóng vô tuyến và mạng viễn thông.

Nguồn dữ liệu trong nghiên cứu được thu thập từ tín hiệu điện áp phản hồi của 03 cảm biến dòng ACS712, dữ liệu truyền nhận nối tiếp từ chip vi xử lý, chuỗi phản hồi trạng thái AT command của module vô tuyến và các bản ghi lịch sử thao tác lưu trữ trên máy chủ web.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển phân tán gồm một nút quản lý trung tâm (Master Gateway) và các nút điều khiển chấp hành nhánh (Slave Nodes) đặt tại các phòng, kết nối với nhau qua sóng LoRa và liên kết với người dùng thông qua hai hạ tầng mạng Internet (WiFi) và mạng di động viễn thông (GSM).

Khối chức năng Phần cứng sử dụng Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Xử lý trung tâm NodeMCU ESP32S CPU lõi kép Xtensa LX6 (80 - 240 MHz), RAM 520 KB, WiFi 802.11 b/g/n, Bluetooth 4.2 Kết nối mạng WiFi, nhận lệnh từ Web Server, điều phối truyền thông LoRa và SIM900A
Truyền thông tầm xa LoRa Easy SX1276 Băng tần 433 MHz (410 - 525 MHz), độ nhạy thu cao, cự ly lý thuyết 10 km, giao tiếp UART Cầu nối vô tuyến truyền nhận lệnh điều khiển giữa khối trung tâm và các bo mạch con
Truyền thông di động Module SIM900A Băng tần kép GSM/GPRS 900/1800 MHz, giao diện tập lệnh AT command tiêu chuẩn Nhận tin nhắn điều khiển SMS từ điện thoại di động và gửi phản hồi trạng thái thiết bị
Xử lý tại nút nhánh Arduino Mega 2560 ATmega2560 (16 MHz), Flash 256 KB, SRAM 8 KB, 54 chân Digital I/O, 4 cổng UART phần cứng Tiếp nhận tín hiệu từ LoRa, đọc dữ liệu từ cảm biến dòng điện và kích đóng ngắt rơ-le công suất
Giám sát phụ tải ACS712 20A (03 module) Điện áp hoạt động 5V, dải đo dòng đến 20A, độ nhạy điện áp ra 100 mV/A Đo dòng tiêu thụ của thiết bị trong 3 phòng để xác định trạng thái hoạt động thực tế
Hạ áp nguồn cấp Module hạ áp DC-DC Nguồn cấp ngõ vào 12V DC, ngõ ra ổn áp 5V DC Cung cấp nguồn nuôi ổn định cho các vi điều khiển, module truyền thông và mạch rơ-le

Hệ thống truyền thông LoRa giữa bo trung tâm và các bo con được cấu hình thông qua tập lệnh AT command trên cổng giao tiếp nối tiếp UART mặc định ở tốc độ 115200 bps, khung truyền 8 bit dữ liệu, 1 bit dừng và không kiểm tra chẵn lẻ (None parity). Firmware của bo mạch LoRa Easy hỗ trợ sẵn các chế độ thiết lập vô tuyến định sẵn từ Mode 0 đến Mode 5 và Mode 9 tùy biến:

Chế độ LoRa Băng thông (Bandwidth) Hệ số trải phổ (SF) Tỷ lệ mã hóa (CR) Kiểm tra lỗi (Packet CRC) Tiêu đề (Packet Header)
Mode 0 500 kHz 7 4/5 Có Không
Mode 1 500 kHz 7 4/8 Có Không
Mode 2 250 kHz 8 4/8 Có Không
Mode 3 125 kHz 8 4/8 Có Không
Mode 4 125 kHz 10 4/8 Có Không
Mode 5 62.25 kHz 12 4/8 Có Không
Mode 9 Tùy biến (Custom) Tùy biến (Custom) Tùy biến (Custom) Tùy biến (Custom) Tùy biến (Custom)

Các chế độ truyền từ Mode 0 đến Mode 5 biến thiên theo nguyên tắc: giảm tốc độ truyền để tăng cự ly kết nối. Bên cạnh đó, bo mạch tích hợp chức năng lọc địa chỉ (Address filter) 32-bit (lệnh AT+DEVADDR và AT+ADRFILTER) cho phép bo trung tâm quản lý danh sách tối đa 5 bo mạch nhánh khác nhau để tránh xung đột dữ liệu.

Phần mềm hệ thống được triển khai trên hai môi trường:

  1. Môi trường nhúng: Sử dụng Arduino IDE để biên dịch mã nguồn cho ESP32 và Arduino Mega. Thuật toán xử lý trung tâm vận hành theo cơ chế quét vòng (polling): kiểm tra liên tục dữ liệu từ máy chủ web qua kết nối WiFi và tín hiệu cờ ngắt từ cổng nối tiếp module SIM900A; khi có gói tin điều khiển, dữ liệu được đóng gói thành khung truyền chuẩn và phát qua module LoRa. Tại các bo con, chương trình thường trực lắng nghe sóng LoRa, giải mã chuỗi lệnh, xuất mức logic điều khiển rơ-le công suất và đọc điện áp từ cảm biến ACS712 để phản hồi trạng thái hoạt động thực tế.
  2. Môi trường Web Server: Được xây dựng bằng phần mềm Dreamweaver sử dụng ngôn ngữ PHP kết hợp giao diện HTML/CSS. Ứng dụng web được phân chia thành các giao diện chuyên biệt: trang đăng nhập xác thực tài khoản (login), bảng điều khiển trung tâm bật/tắt thiết bị, trang quản lý dữ liệu lưu trữ lịch sử vận hành, trang hiển thị trạng thái hoạt động thời gian thực và trang sơ lược thông tin đề tài.

Phần cứng toàn hệ thống sau khi được gia công bo mạch in PCB được bố trí gọn gàng bên trong mô hình nhà ở 3 phòng kích thước 40 x 40 cm bằng chất liệu formex, đảm bảo tính thẩm mỹ và mô phỏng chính xác mô hình điều khiển thiết bị gia dụng trong thực tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu tự động hóa ngôi nhà và sự hạn chế về dây dẫn của các giải pháp truyền thống. Tác giả xác định mục tiêu cốt lõi là thiết kế hệ thống điều khiển tích hợp WiFi - LoRa, lập danh mục 11 nội dung nghiên cứu thực hiện từ tháng 04 đến tháng 07/2018. Chương này công bố các giới hạn cụ thể của hệ thống: mô hình nhà 3 phòng kích thước 40 x 40 cm vật liệu formex, sử dụng 03 cảm biến dòng ACS712 loại 20A, vi điều khiển ESP32, Arduino Mega 2560, module SIM900A và module LoRa Easy SX1276; giới hạn tính năng chỉ thực hiện điều khiển bật/tắt thiết bị điện.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết các cơ sở lý thuyết phần cứng và phần mềm được sử dụng trong đồ án:

  • Vi điều khiển NodeMCU ESP32S: Cấu trúc chip ESP-WROOM-32 với bộ xử lý lõi kép Xtensa 32-bit LX6, bộ nhớ ROM 448 KB, SRAM 520 KB, SRAM RTC 16 KB, hỗ trợ kết nối mạng WiFi 802.11 b/g/n tốc độ 150 Mbps, Bluetooth v4.2 BR/EDR & BLE, kích thước bo mạch 51.4 x 28.3 mm, cùng bảng mô tả chi tiết chức năng toàn bộ các chân I/O.
  • Công nghệ LoRa và module LoRa Easy SX1276: Giới thiệu nguyên lý điều chế trải phổ Chirp (CSS), các thông số Spreading Factor (SF), Bandwidth (BW), Coding Rate (CR), cấu trúc gói tin vô tuyến Radio packet. Giới thiệu bo mạch LoRa Easy SX1276 tần số 433 MHz, công suất phát qua giao tiếp UART, cơ chế lọc địa chỉ thiết bị 32-bit và tập lệnh AT command đầy đủ gồm nhóm quản lý hệ thống (System AT command), nhóm cấu hình LoRa (LoRa AT command) và nhóm FSK.
  • Bo mạch Arduino Mega 2560: Kiến trúc vi điều khiển ATmega2560 hoạt động ở điện áp 5V, tần số thạch anh 16 MHz, bộ nhớ Flash 256 KB, 54 chân Digital I/O, 16 chân Analog, 4 cổng giao tiếp nối tiếp UART phần cứng.
  • Module mạng GSM/GPRS SIM900A và cảm biến dòng ACS712: Nguyên lý mạng tổ ong, sơ đồ chân SIM900A, thông số kỹ thuật cảm biến Hall ACS712 dải đo 20A với độ nhạy 100 mV/A.
  • Nền tảng Web Server và ngôn ngữ lập trình PHP: Quy trình hoạt động của giao thức web và các ưu điểm của PHP trong việc xử lý dữ liệu động.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 tập trung vào thiết kế hệ thống phần cứng và phần mềm:

  • Thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống, xác định mối liên kết dữ liệu giữa khối xử lý trung tâm, khối điều khiển ngoại vi, khối công suất và khối nguồn.
  • Thiết kế chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm (kết nối chân giữa NodeMCU ESP32S với LoRa Easy và SIM900A), sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển nút nhánh (kết nối giữa Arduino Mega và module LoRa), sơ đồ mạch rơ-le công suất đóng ngắt tải và module nguồn giảm áp 12V xuống 5V.
  • Thiết kế giao diện ứng dụng web: Xây dựng bố cục các cửa sổ hiển thị gồm trang giới thiệu sơ lược, bảng giao diện nút bấm điều khiển, trang hiển thị trạng thái hoạt động thực tế của thiết bị, bảng quản lý cơ sở dữ liệu lịch sử và cửa sổ hiển thị thông tin tác giả.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình hiện thực hóa thiết kế từ bản vẽ sang mô hình vật lý:

  • Quy trình thiết kế mạch in (PCB), sơ đồ bố trí linh kiện và thi công chế tạo bo mạch xử lý trung tâm cùng hai bo mạch điều khiển nhánh (bo điều khiển 1 và bo điều khiển 2). Bảng thống kê chi tiết linh kiện điện tử sử dụng.
  • Quy trình lắp ráp linh kiện, đo kiểm tra thông mạch, thử tải và kiểm tra điện áp nguồn.
  • Thi công mô hình cơ khí: Đóng gói các bo mạch điều khiển vào hộp bảo vệ, lắp đặt bố trí các bo mạch vào mô hình nhà 3 phòng bằng formex, đi dây điện và hoàn thiện trang trí mô hình.
  • Cài đặt và cấu hình môi trường phát triển: Hướng dẫn cài đặt phần mềm Arduino IDE (tải bản zip, cài đặt driver, giải nén) và phần mềm thiết kế web Macromedia/Adobe Dreamweaver.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật chi tiết: Lưu đồ điều khiển từ Web Server và tin nhắn điện thoại SMS tại khối trung tâm; lưu đồ tiếp nhận lệnh và điều khiển rơ-le tại các bo mạch con.
  • Biên soạn tài liệu hướng dẫn vận hành và các bước thao tác hệ thống chuẩn xác.

Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá

Chương 5 báo cáo các thành quả thực nghiệm thu được sau quá trình thi công:

  • Tác giả nắm vững kỹ thuật xây dựng trang web server điều khiển và kỹ thuật lập trình vi điều khiển NodeMCU ESP32S.
  • Thực hiện thành công việc truyền nhận dữ liệu vô tuyến đa điểm giữa nhiều bo mạch LoRa Easy SX1276.
  • Làm chủ kỹ thuật điều khiển và nhận tin nhắn thông qua module di động SIM900A.
  • Kết nối đồng bộ và lập trình phối hợp thành công giữa vi điều khiển WiFi NodeMCU ESP32S, module SIM900A và module LoRa Easy SX1276.
  • Trình bày hình ảnh thực tế các trang giao diện vận hành: giao diện đăng nhập hệ thống, trang điều khiển thiết bị, trang trạng thái phản hồi dòng điện khi thiết bị bật (ON), trang quản lý dữ liệu lịch sử và hình ảnh mô hình thực tế khi kích hoạt tải.
  • Đưa ra nhận xét khách quan về độ ổn định của hệ thống và đánh giá khả năng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đề ra.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tóm tắt toàn bộ khối lượng công việc và kết quả đạt được đối chiếu với các mục tiêu ban đầu; đồng thời chỉ ra các định hướng phát triển nhằm mở rộng quy mô, tăng số lượng chức năng giám sát và nâng cao tính linh hoạt cho hệ thống trong các ứng dụng thực tế.

Kết quả và đóng góp

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra với những kết quả thực nghiệm rõ ràng:

  • Thi công hoàn chỉnh mô hình phần cứng gồm 01 bo mạch xử lý trung tâm và 02 bo mạch điều khiển nút nhánh, được tích hợp gọn gàng trong mô hình nhà ở 3 phòng kích thước 40 x 40 cm bằng vật liệu formex.
  • Tích hợp thành công 03 cảm biến dòng điện ACS712 loại 20A (hoạt động ở mức nguồn 5V, độ nhạy 100 mV/A), cho phép hệ thống nhận biết chính xác trạng thái hoạt động thực của thiết bị điện sau khi xuất lệnh điều khiển.
  • Xây dựng hoàn chỉnh giao diện Web Server bằng PHP, cung cấp các tính năng đăng nhập bảo mật, bảng điều khiển bật/tắt thiết bị, trang hiển thị trạng thái thời gian thực và chức năng lưu trữ dữ liệu lịch sử vận hành.
  • Thiết lập thành công hai kênh điều khiển song song: điều khiển qua giao diện web thông qua mạng WiFi/Internet và điều khiển qua tin nhắn SMS thông qua module SIM900A.
  • Thiết lập mạng truyền thông vô tuyến tầm xa LoRa ở tần số 433 MHz, cấu hình thành công các thông số vô tuyến và cơ chế lọc địa chỉ 32-bit (hỗ trợ tối đa 5 bo mạch nhánh) qua tập lệnh AT command, đảm bảo truyền nhận thông suốt giữa bo trung tâm và các nút chấp hành.

Về mặt đóng góp khoa học và kỹ thuật, đồ án đã giải quyết được hạn chế lớn của các đề tài trước đó (vốn phụ thuộc vào hệ thống dây dẫn phức tạp khi tăng số lượng thiết bị). Bằng cách kết hợp giữa mạng cục bộ WiFi và mạng diện rộng công suất thấp LoRa, tác giả đã đề xuất một giải pháp kỹ thuật khả thi cho phép mở rộng số lượng nút điều khiển không dây trong các công trình nhà ở mà không làm suy hao tín hiệu hay gây nhiễu đường truyền, đồng thời tạo ra phương thức dự phòng qua mạng di động GSM khi mất kết nối Internet.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các nội dung được công bố trong tài liệu, hệ thống còn tồn tại một số hạn chế gắn liền với phạm vi nghiên cứu:

  • Hệ thống mới dừng lại ở quy mô thử nghiệm trên mô hình giả lập kích thước 40 x 40 cm bằng vật liệu formex, chưa được kiểm chứng trong môi trường công trình xây dựng thực tế với tường bê tông cốt thép dày.
  • Chức năng điều khiển chỉ giới hạn ở mức đóng/ngắt logic (bật/tắt) các thiết bị điện, chưa hỗ trợ các chức năng điều khiển công suất tuyến tính (như điều chỉnh độ sáng đèn hay tốc độ quạt).
  • Số lượng cảm biến giám sát còn ít (chỉ sử dụng 3 cảm biến dòng ACS712 cho 3 phòng), chưa tích hợp thêm các cảm biến môi trường khác như nhiệt độ, độ ẩm hay cảnh báo khí gas.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Nâng cấp và tăng cường thêm các tính năng điều khiển thông minh, mở rộng khả năng quản lý thêm nhiều thiết bị điện đa dạng trong nhà.
  • Tăng cường tính linh hoạt của hệ thống, cải tiến giao diện giám sát và tối ưu hóa giải thuật định tuyến truyền thông vô tuyến giữa các nút LoRa nhằm tăng độ ổn định khi triển khai trên các công trình thực tế quy mô lớn.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tiễn cao đối với:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ Internet of Things (IoT).
  • Những người nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan đến hệ thống nhà thông minh (Smart Home), mạng cảm biến không dây công suất thấp (WSN) và các hệ thống giám sát từ xa.

Các phần nội dung nổi bật đáng tham khảo trực tiếp từ tài liệu:

  • Sơ đồ nguyên lý phối ghép phần cứng chi tiết giữa vi điều khiển ESP32, module LoRa Easy SX1276 và module mạng di động SIM900A.
  • Bảng danh mục tập lệnh AT command chi tiết cho hệ thống và cấu hình các chế độ định sẵn (Mode 0 - Mode 5) của bo mạch LoRa Easy SX1276.
  • Quy trình thiết kế mạch in (PCB) hai lớp, phương pháp đóng gói bo mạch và kỹ thuật thi công mô hình vật lý.
  • Lưu đồ thuật toán điều phối luồng dữ liệu song song giữa máy chủ web, mạng di động và mạng vô tuyến LoRa nội bộ.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng những phương thức truyền thông không dây nào để kết nối và điều khiển thiết bị?

Hệ thống sử dụng ba phương thức truyền thông không dây:

  • Kết nối WiFi (chuẩn IEEE 802.11 b/g/n) trên vi điều khiển NodeMCU ESP32S để liên kết với mạng Internet và giao tiếp với Web Server.
  • Sóng vô tuyến tầm xa LoRa (băng tần 433 MHz thông qua module LoRa Easy SX1276) để truyền nhận dữ liệu điều khiển giữa bo mạch trung tâm và các bo mạch con tại các phòng.
  • Sóng di động GSM/GPRS (thông qua module SIM900A) để nhận lệnh điều khiển và gửi trạng thái qua tin nhắn SMS.

2. Module LoRa Easy SX1276 được cấu hình và giao tiếp với vi điều khiển như thế nào?

Module LoRa Easy SX1276 giao tiếp với vi điều khiển thông qua chuẩn nối tiếp UART ở tốc độ baud mặc định là 115200 bps, 8 bit dữ liệu, 1 bit dừng và không có bit chẵn lẻ. Người lập trình sử dụng tập lệnh AT command để thiết lập các chế độ truyền (Mode 0 đến Mode 5 hoặc Mode 9 tùy biến), cài đặt địa chỉ bo mạch 32-bit (AT+DEVADDR) và thiết lập bộ lọc danh sách tối đa 5 thiết bị nhận (AT+ADRFILTER).

3. Thông số kỹ thuật và vai trò của cảm biến ACS712 trong hệ thống là gì?

Hệ thống sử dụng 03 cảm biến ACS712 loại 20A, hoạt động ở điện áp nguồn 5V với độ nhạy điện áp ra là 100 mV/A. Cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, được mắc nối tiếp với phụ tải tại 3 phòng để đo dòng điện tiêu thụ thực tế, giúp hệ thống xác định chính xác thiết bị đã thực sự bật (ON) hay tắt (OFF) để gửi phản hồi lên giao diện giám sát.

4. Bo mạch xử lý trung tâm và bo mạch điều khiển tại các phòng sử dụng những vi điều khiển nào?

Bo mạch xử lý trung tâm sử dụng module NodeMCU ESP32S trang bị bộ xử lý lõi kép Xtensa 32-bit LX6 với bộ nhớ SRAM 520 KB và tích hợp sẵn WiFi/Bluetooth. Các bo mạch điều khiển nút nhánh tại các phòng sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 dựa trên chip ATmega2560 (16 MHz, bộ nhớ Flash 256 KB, 54 chân Digital I/O).

5. Giao diện Web Server của hệ thống gồm những chức năng gì và được lập trình bằng công nghệ nào?

Giao diện Web Server được xây dựng bằng ngôn ngữ PHP kết hợp HTML/CSS trên phần mềm Macromedia/Adobe Dreamweaver. Hệ thống web bao gồm: trang đăng nhập xác thực quyền truy cập (login), trang giao diện điều khiển bật/tắt thiết bị, trang hiển thị trạng thái hoạt động thực tế (dựa trên dữ liệu cảm biến dòng điện), trang quản lý dữ liệu lưu trữ lịch sử điều khiển và trang hiển thị thông tin sinh viên/đề tài.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà kết hợp WiFi và LoRa" của tác giả Nguyễn Đức Dũy đã giải quyết thành công bài toán mở rộng số lượng thiết bị điều khiển không dây trong không gian nhà ở mà không cần lắp đặt mạng dây phức tạp. Bằng việc kết hợp vi điều khiển NodeMCU ESP32S, Arduino Mega 2560, module truyền thông tầm xa LoRa Easy SX1276 băng tần 433 MHz và module mạng di động SIM900A, hệ thống đã thiết lập được cơ chế giám sát và điều khiển hai tầng qua cả hạ tầng Internet (Web Server PHP) lẫn mạng viễn thông di động (SMS). Toàn bộ hệ thống phần cứng, cảm biến dòng ACS712 và phần mềm điều khiển đã được tích hợp, vận hành ổn định trên mô hình nhà 3 phòng kích thước 40 x 40 cm, cung cấp tài liệu tham khảo giá trị cho các nghiên cứu ứng dụng IoT và tự động hóa tòa nhà.