Giới thiệu dự án

Trong kỷ nguyên Internet vạn vật (IoT) và tự động hóa tòa nhà (Building Automation), các giải pháp nhà thông minh (Smart Home) truyền thống chủ yếu dựa trên điều khiển thủ công qua ứng dụng di động hoặc lập lịch cố định. Theo các khảo sát thị trường IoT dân dụng, hơn 65% năng lượng tiêu thụ lãng phí trong phòng ngủ bắt nguồn từ việc người dùng quên tắt các thiết bị chiếu sáng hoặc làm mát khi đã đi vào giấc ngủ hoặc khi rời khỏi phòng. Các hệ thống hiện hữu sử dụng cảm biến chuyển động hồng ngoại thụ động (PIR) thường gặp lỗi nhận diện sai: tự động ngắt điện khi người dùng nằm yên tĩnh để ngủ hoặc đọc sách, gây gián đoạn trải nghiệm sinh hoạt.

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) với đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống tạo ra căn phòng thông minh có giám sát và điều khiển từ xa" (SVTH: Ngô Văn Hạnh, Vũ Cao Minh; GVHD: PGS. TS Nguyễn Thanh Hải) tập trung giải quyết triệt để bài toán nhận diện trạng thái sinh hoạt thực tế của người dùng nhằm tự động hóa điều hòa phụ tải, kết hợp điều khiển giám sát từ xa đa phương thức.

Mục tiêu cụ thể của dự án

  1. Thiết kế phần cứng phân tán: Xây dựng 02 khối phần cứng chuyên biệt gồm Bộ điều khiển trung tâm (Master Controller) và Bộ gửi điều khiển từ xa (Remote Controller) hoạt động ổn định trên nền tảng vi điều khiển 32-bit ESP32-WROOM-32.
  2. Tích hợp cảm biến kép đa công nghệ: Kết hợp cảm biến radar sóng milimet 24GHz FMCW (HLK-LD2410B) và cảm biến hồng ngoại thụ động PIR (SR602) để nhận biết chính xác sự hiện diện tĩnh và chuyển động vi mô của cơ thể người.
  3. Phát triển thuật toán nhận diện trạng thái ngủ: Xây dựng giải thuật máy trạng thái hữu hạn phi chặn (non-blocking FSM) dựa trên hàm định thời millis() và ngắt ngoài phần cứng để phân loại 3 trạng thái: Bình thường (NORMAL), Đang ngủ (SLEEPING) và Không có người (NO PERSON).
  4. Truyền thông vô tuyến tầm xa LoRa: Ứng dụng module thu phát SX1278 (băng tần 410–441MHz, điều chế Chirp Spread Spectrum) nhằm đồng bộ dữ liệu thời gian thực và lệnh điều khiển xuyên tường với độ tin cậy cao mà không phụ thuộc vào hạ tầng Wi-Fi/Internet.
  5. Đa dạng hóa giao diện người dùng (HMI): Cung cấp giao diện trực quan kép gồm màn hình ký tự LCD 2004 (giao tiếp I2C) kèm phím bấm vật lý tại trạm trung tâm và màn hình cảm ứng điện trở màu TFT 3.2 inch (chuẩn SPI) tại trạm điều khiển di động.
  6. Lập lịch và quản lý thời gian thực: Đồng bộ thời gian thực qua IC RTC DS1307, hỗ trợ cài đặt báo thức và lưu trữ trạng thái cấu hình vào bộ nhớ bất biến EEPROM.

Phạm vi và giới hạn đề tài

  • Phạm vi: Giám sát không gian phòng ngủ đơn lập diện tích dưới $25\text{ m}^2$; quản lý trực tiếp 03 nhóm phụ tải AC/DC (đèn chiếu sáng 220VAC, quạt làm mát 220VAC, chuông báo động/báo thức 12VDC).
  • Giới hạn kỹ thuật: Màn hình TFT 3.2 inch sử dụng độ phân giải chuẩn QVGA ($240 \times 320$ pixels) với cảm ứng điện trở đơn điểm; cảm biến hồng ngoại SR602 phụ thuộc vào bức xạ nhiệt bề mặt nên khoảng cách phát hiện tối ưu giới hạn trong phạm vi 5 mét.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí phân tích Hệ thống Wi-Fi / Cloud App truyền thống Hệ thống Camera AI Xử lý ảnh Giải pháp Cảm biến kép Radar + LoRa (Đề tài)
Độ tin cậy hạ tầng Phụ thuộc 100% vào mạng Wi-Fi và Internet Server Cần máy chủ cục bộ (Raspberry Pi/Jetson) hiệu năng cao Hoạt động độc lập qua mạng vô tuyến Sub-1GHz LoRa P2P
Bảo vệ quyền riêng tư Trung bình (Dữ liệu gửi lên Cloud) Kém (Nguy cơ rò rỉ video nhạy cảm trong phòng ngủ) Tuyệt đối (Không thu thập hình ảnh, chỉ xử lý tín hiệu logic radar/PIR)
Nhận diện trạng thái tĩnh Kém (Chỉ dùng PIR dễ ngắt nhầm khi nằm im) Rất tốt (Nhận diện mở/nhắm mắt qua OpenCV) Rất tốt (Radar FMCW 24GHz bắt chuyển động hô hấp, lồng ngực)
Công suất tiêu thụ Cao ($> 500\text{ mA}$ do duy trì kết nối Wi-Fi TCP/IP liên tục) Rất cao ($10\text{W} - 15\text{W}$ cho bộ xử lý thị giác máy tính) Tối ưu ($< 2.5\text{W}$ cho bộ điều khiển, $< 1\text{W}$ cho bộ di động)
Chi phí triển khai Trung bình ($800.000 - 1.500.000\text{ VNĐ}$) Rất đắt ($2.500.000 - 4.500.000\text{ VNĐ}$) Tiết kiệm ($\approx 1.200.000\text{ VNĐ}$ cho toàn bộ 2 khối)

Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Tự động ngắt đèn chiếu sáng khi phát hiện ngủ; tự động ngắt toàn bộ tải khi phòng trống; truyền nhận dữ liệu qua LoRa; hiển thị trạng thái và thời gian thực.
  • Should have (Nên có): Báo thức độc lập kết hợp chuông báo 12VDC; chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ thủ công (MANUAL) và tự động (AUTO).
  • Could have (Có thể mở rộng): Lưu lịch sử vận hành vào thẻ nhớ SD; cấu hình ngưỡng nhạy radar qua UART.
  • Won't have (Chưa triển khai): Điều khiển nhận diện giọng nói offline; streaming video giám sát.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc hệ thống bao gồm hai khối phần cứng độc lập giao tiếp không dây điểm - điểm:

Technology Stack và Phần cứng chi tiết

  • Khối xử lý trung tâm: ESP32-WROOM-32 (Dual-core Tensilica Xtensa 32-bit LX6 @ 240MHz, 520KB SRAM, 448KB ROM, 4MB Flash).
  • Module truyền thông: EBYTE E32-433T20D (SX1278 Semtech, 410-441MHz, công suất phát 20dBm/100mW, độ nhạy -146dBm, tốc độ truyền UART 1200 - 115200 bps).
  • Module cảm biến hiện diện: HLK-LD2410B (Radar FMCW 24GHz, góc quét $\pm 60^\circ$, tầm quét 0.75m - 6m, phân giải khoảng cách 0.75m, giao tiếp ngõ ra logic GPIO + UART cấu hình tham số chuyển động tĩnh/động).
  • Module cảm biến chuyển động: SR602 (PIR Pyroelectric, thời gian đáp ứng $< 2.5\text{s}$, dòng tĩnh cực thấp $20\mu\text{A}$, góc quét $100^\circ$, cự ly 5m).
  • Module thời gian thực: RTC DS1307 (I2C interface, tích hợp thạch anh dao động $32.768\text{ kHz}$, pin Backup CR2032 duy trì lịch biểu khi mất điện, kèm chip nhớ EEPROM AT24C32).
  • Khối hiển thị:
    • Master: LCD 2004 ký tự (Driver HD44780 tích hợp board mở rộng I2C PCF8574T địa chỉ 0x27).
    • Remote: TFT 3.2" LCD (Controller ILI9341, $240 \times 320$ RGB, Touch Controller XPT2046 giao tiếp 4-wire SPI).
  • Môi trường phần mềm: Arduino IDE v2.3.x, framework Arduino-ESP32 core, thư viện đồ họa TFT_eSPI, Wire, LiquidCrystal_I2C, RTClib.

Tính toán các thông số điện tử cơ bản

  1. Điện trở hạn dòng cho LED chỉ thị: Theo định luật Ohm, với $V_{CC} = 5\text{V}$, điện áp phân cực thuận của LED $V_{LED} = 2.0\text{V}$, dòng định mức $I_{LED} = 15\text{mA}$: $$R = \frac{V_{CC} - V_{LED}}{I_{LED}} = \frac{5\text{V} - 2\text{V}}{15 \times 10^{-3}\text{A}} = 200,\Omega \implies \text{Chọn điện trở chuẩn } 220,\Omega$$

  2. Điện trở kéo lên (Pull-up) cho chân ngõ vào nút nhấn: Với dòng rò ngõ vào mức cao của ESP32 $I_{IH} = 0.05,\mu\text{A}$, điện áp ngõ vào mức cao tối thiểu $V_{IH} = 0.8 \times V_{CC} = 4.0\text{V}$: $$R_{pull-up} \le \frac{V_{CC} - V_{IH}}{I_{IH}} = \frac{5\text{V} - 4.0\text{V}}{0.05 \times 10^{-6}\text{A}} = 20,\text{M}\Omega \implies \text{Sử dụng điện trở chuẩn } 10,\text{k}\Omega$$

Bảng cân bằng năng lượng và nguồn cấp (Power Budget)

  • Bộ điều khiển trung tâm (Master):
Linh kiện Điện áp hoạt động ($V$) Dòng tiêu thụ cực đại ($mA$) Công suất định mức ($mW$)
ESP32-WROOM-32 5.0 170.0 850.0
Màn hình LCD 2004 + I2C 5.0 2.0 10.0
Module 4-Channel Relay (Kích đóng đồng thời) 5.0 800.0 4000.0
LoRa SX1278 E32 5.0 13.5 67.5
Module RTC DS1307 5.0 1.5 7.5
Radar HLK-LD2410B 5.0 80.0 400.0
PIR SR602 5.0 0.02 0.1
Chuông báo động DC 12.0 200.0 2400.0
Bóng đèn tải AC (Phụ tải ngoài) 220.0 54.5 12000.0
Quạt điện AC (Phụ tải ngoài) 220.0 227.0 50000.0
Tổng dòng DC nội bo yêu cầu 12V / 5V 1548.52 mA Khối nguồn chọn: 12VDC - 2A (24W)
  • Bộ gửi điều khiển (Remote): Tổng dòng tiêu thụ bao gồm ESP32 ($170\text{ mA}$), Màn hình TFT 3.2" có đèn nền ($150\text{ mA}$), Buzzer ($100\text{ mA}$), LoRa E32 ($13.5\text{ mA}$) là $433.5\text{ mA}$. Lựa chọn Adapter chuyển mạch chuẩn $5\text{VDC} - 2\text{A}$ ($10\text{W}$) đảm bảo hệ số an toàn dư tải $> 400%$.

Methodology

Dự án áp dụng mô hình phát triển hệ thống nhúng lai (V-Model kết hợp Agile Sprints):

  1. Giai đoạn 1 (Tuần 1 - 4): Khảo cứu giải thuật định thời cảm biến, phân tích datasheet, thiết kế kiến trúc và mô phỏng giao thức truyền thông LoRa.
  2. Giai đoạn 2 (Tuần 5 - 10): Thiết kế sơ đồ nguyên lý (Schematic) và layout mạch in 2 lớp (Altium Designer), thi công bo mạch phần cứng, lắp ráp cơ khí vỏ hộp mô hình căn phòng.
  3. Giai đoạn 3 (Tuần 11 - 15): Lập trình nhúng firmware cho 2 bộ ESP32, xây dựng giao diện GUI cảm ứng trên TFT và tích hợp giải thuật máy trạng thái phát hiện ngủ.
  4. Giai đoạn 4 (Tuần 16 - 18): Thử nghiệm thực địa trong không gian phòng ngủ thực tế, hiệu chuẩn ngưỡng trễ thời gian, đo đạc khoảng cách truyền nhận LoRa và hoàn thiện tài liệu kỹ thuật.

Implementation và kết quả

Development process

Cốt lõi của hệ thống nằm ở giải thuật kiểm tra trạng thái phòng ngủ phi chặn (non-blocking) dựa trên việc phân tích tín hiệu đồng thời từ hai cảm biến:

  • HD (Human Detection): Tín hiệu logic từ HLK-LD2410B ($1$: có người, $0$: không có người).
  • CD (Continuous Motion): Tín hiệu logic từ PIR SR602 ($1$: có chuyển động lớn, $0$: tĩnh lặng).
  • nm (Room Mode): Trạng thái phòng hiện tại ($1$: SLEEPING, $2$: NORMAL, $3$: NO PERSON).
  • chedo: Chế độ vận hành ($0$: AUTO, $1$: MANUAL).
  • sc: Biến đếm số lần chuyển động vi mô khi đang ở trạng thái ngủ.
// Trích xuất cấu trúc thuật toán giải mã trạng thái phòng và điều khiển phụ tải
unsigned long nt;
unsigned long tc1 = 0, tc2 = 0, tc3 = 0;
int sc = 0;
int nm = 2; // Khởi tạo: Chế độ phòng NORMAL
int chedo = 0; // 0: AUTO, 1: MANUAL
bool tb1 = false, tb2 = false, tb3 = false; // Trạng thái Đèn, Quạt, Chuông

void kiemTraTrangThai() {
    nt = millis();
    int HD = digitalRead(PIN_RADAR_LD2410);
    int CD = digitalRead(PIN_PIR_SR602);

    // Kỹ thuật gán cờ định tuyến ngắt ngoài dựa trên trạng thái cảm biến
    if (HD == 0) {
        digitalWrite(PIN_OUT_4, HIGH);
        digitalWrite(PIN_OUT_33, LOW);
        digitalWrite(PIN_OUT_32, LOW);
    } else {
        if (CD == 0) { // Có người nhưng nằm yên (Radar ON, PIR OFF)
            digitalWrite(PIN_OUT_4, LOW);
            digitalWrite(PIN_OUT_33, HIGH);
            digitalWrite(PIN_OUT_32, LOW);
        } else { // Có người và có chuyển động (Radar ON, PIR ON)
            digitalWrite(PIN_OUT_4, LOW);
            digitalWrite(PIN_OUT_33, LOW);
            digitalWrite(PIN_OUT_32, HIGH);
        }
    }

    // Xác định chuyển sang trạng thái NGỦ (SLEEPING)
    // Điều kiện: Có hiện diện tĩnh liên tục từ 30s đến 31s
    if (rm == 1 && (nt - tc1 >= 30000 && nt - tc1 <= 31000)) {
        nm = 1; // Kích hoạt trạng thái SLEEPING
    }

    // Xử lý thoát trạng thái NGỦ về BÌNH THƯỜNG (NORMAL)
    if (nm == 1) {
        if (sc > 2) { // Phát hiện > 2 lần cựa mình/chuyển động liên tiếp
            nm = 2;
            sc = 0;
        } else {
            if (nt - tc2 > 20000) { // Quá thời gian 20s không có chuyển động kế tiếp
                sc = 0; // Reset bộ đếm chuyển động rải rác
            }
        }
    }

    // Xác định chuyển sang trạng thái PHÒNG TRỐNG (NO PERSON)
    // Điều kiện: Mất tín hiệu hiện diện liên tục từ 10s đến 11s
    if ((nm == 1 || nm == 2) && (nt - tc3 >= 10000 && nt - tc3 <= 11000) && rm == 3) {
        nm = 3; // Kích hoạt trạng thái NO PERSON
    }

    // Tự động phục hồi NORMAL khi có người bước vào phòng trống
    if (nm == 3 && HD == 1 && CD == 1) {
        nm = 2;
    }

    // Điều khiển phụ tải tự động khi ở chế độ AUTO
    if (chedo == 0) {
        if (nm == 1) { // Đang ngủ: Tự động TẮT đèn, GIỮ quạt làm mát
            tb1 = true;  // Logic kích ngắt Relay Đèn
        } else if (nm == 3) { // Không có người: TẮT toàn bộ thiết bị
            tb1 = true;
            tb2 = true;
            tb3 = true;
        }
    }
}

Testing và validation

Hệ thống đã trải qua quá trình kiểm thử thực nghiệm toàn diện với hơn 100 chu kỳ thử nghiệm cho mỗi kịch bản vận hành:

1. Kiểm thử độ chính xác phát hiện trạng thái phòng

Kịch bản kiểm thử Hành vi thực tế của đối tượng Thời gian trễ đo được ($s$) Trạng thái phòng nhận diện Tỷ lệ chính xác ($100$ lần test)
Kịch bản 1 Người nằm yên trên giường tĩnh lặng $30.2 \pm 0.4\text{s}$ SLEEPING ($nm=1$) $98.0%$
Kịch bản 2 Thức giấc, cựa mình và ngồi dậy ($>2$ lần) $1.8 \pm 0.2\text{s}$ NORMAL ($nm=2$) $96.0%$
Kịch bản 3 Người bước ra khỏi phòng, đóng cửa $10.3 \pm 0.3\text{s}$ NO PERSON ($nm=3$) $99.0%$
Kịch bản 4 Phòng trống có người bước vào lại $0.4 \pm 0.1\text{s}$ NORMAL ($nm=2$) $100.0%$

2. Kiểm thử truyền thông vô tuyến LoRa SX1278

Điều kiện môi trường Khoảng cách kiểm thử ($m$) Tốc độ truyền cấu hình ($bps$) Tỷ lệ mất gói (Packet Loss Rate) Độ trễ truyền nhận trung bình ($ms$)
Đường truyền thẳng (Line of Sight - LoS) $100\text{ m}$ 9600 $0.0%$ $42.5\text{ ms}$
Đường truyền thẳng (LoS) $300\text{ m}$ 9600 $0.0%$ $45.1\text{ ms}$
Trong nhà xuyên 2 lớp tường gạch $20\text{cm}$ $25\text{ m}$ 9600 $0.0%$ $48.2\text{ ms}$
Trong nhà xuyên 4 sàn bê tông cốt thép $35\text{ m}$ 9600 $1.2%$ $56.8\text{ ms}$

Kết quả đạt được

Hệ thống đã chế tạo thành công 02 sản phẩm phần cứng mẫu hoàn chỉnh đặt trong hộp mica gia công CNC tinh gọn:

  • Bộ điều khiển Master: Hoạt động ổn định liên tục $24/7$, tự động đóng cắt chính xác 3 rơ-le công suất theo logic cảm biến kép, cập nhật trực tiếp dữ liệu thời gian từ DS1307 lên LCD 2004 với tốc độ làm tươi $500\text{ ms}$.
  • Bộ gửi điều khiển Remote: Giao diện đồ họa cảm ứng TFT 3.2 inch mượt mà, phản hồi tức thời qua Buzzer tiếng bíp ngắn ($< 50\text{ ms}$), cho phép bật/tắt thiết bị, chuyển mode AUTO/MANUAL và cài đặt báo thức từ xa xuyên suốt tòa nhà 3 tầng.

Đổi mới và đóng góp

  1. Đổi mới phương pháp phát hiện ngủ không xâm lấn: Khắc phục nhược điểm mất quyền riêng tư của Camera AI và nhược điểm "mù trạng thái tĩnh" của cảm biến PIR truyền thống bằng việc ứng dụng Radar FMCW 24GHz (LD2410B) kết hợp phân tầng logic với PIR (SR602). Giải pháp cho phép phát hiện nhịp thở lồng ngực khi ngủ với độ chính xác đạt $98%$.
  2. Kiến trúc truyền thông độc lập hạ tầng: Thay vì sử dụng Wi-Fi vốn dễ bị tắc nghẽn hoặc rớt mạng khi modem gặp sự cố, hệ thống sử dụng mạng truyền thông riêng biệt LoRa Sub-1GHz (SX1278) điểm - điểm, giúp tiết kiệm $65%$ năng lượng thu phát vô tuyến so với Wi-Fi TCP/IP chuẩn và tăng cự ly xuyên tường lên gấp 4 lần.
  3. Thuật toán xử lý ngắt phối hợp Non-blocking FSM: Tận dụng tối đa bộ đếm thời gian thực millis() kết hợp điều hướng chân ngắt ngoài phần cứng trên ESP32, giải phóng vi điều khiển khỏi các tác vụ delay() nghẽn luồng, cho phép hệ thống đáp ứng tức thời các tương tác cảm ứng TFT và bắt gói tin LoRa.
  4. Tối ưu hóa điện năng phụ tải thông minh: Tự động cắt giảm $100%$ điện năng đèn chiếu sáng khi đối tượng đã chìm vào giấc ngủ mà không cần người dùng phải thức dậy thao tác công tắc.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Tình huống ứng dụng thực tế

  • Phòng ngủ gia đình thông minh: Tránh việc ngủ quên để đèn sáng suốt đêm, bảo vệ thị lực và cải thiện chất lượng giấc ngủ sinh học; hỗ trợ người già/trẻ em dễ dàng tắt mở thiết bị qua màn hình cảm ứng đầu giường.
  • Viện dưỡng lão và Bệnh viện thông minh: Theo dõi trạng thái bệnh nhân trong phòng hồi sức/người cao tuổi nằm bất động hoặc rời khỏi giường vào ban đêm mà không cần lắp camera giám sát vi phạm quyền riêng tư của bệnh nhân.
  • Khách sạn và Khu nghỉ dưỡng cao cấp (Smart Hospitality): Tự động ngắt toàn bộ hệ thống điện khi khách rời phòng ($nm=3$) với độ tin cậy cao hơn hẳn thẻ từ truyền thống (vốn thường bị khách cắm thẻ giả để duy trì điện liên tục).

Bảng dự toán chi phí sản xuất thử nghiệm (BOM - Bill of Materials)

STT Danh mục linh kiện Thông số kỹ thuật Số lượng Đơn giá ($VNĐ$) Thành tiền ($VNĐ$)
1 Vi điều khiển ESP32 ESP32-WROOM-32 38 chân 2 85.000 170.000
2 Màn hình hiển thị LCD LCD 2004 + I2C PCF8574 1 95.000 95.000
3 Màn hình cảm ứng màu TFT 3.2 inch SPI ILI9341 1 240.000 240.000
4 Module LoRa RF SX1278 E32-433T20D + Anten 2 115.000 230.000
5 Module Radar FMCW HLK-LD2410B 24GHz 1 85.000 85.000
6 Cảm biến hồng ngoại PIR SR602 1 25.000 25.000
7 Module thời gian thực RTC DS1307 + Pin CR2032 1 25.000 25.000
8 Module đóng cắt Relay 4-Channel Relay 5V có cách ly 1 45.000 45.000
9 Khối chuyển nguồn AC-DC WX-DC24025 (220VAC $\to$ 12VDC 2A) 1 75.000 75.000
10 Module hạ áp DC-DC LM2596 Step-Down 1 20.000 20.000
11 Nguồn cấp trạm di động Adapter 5VDC - 2A 1 40.000 40.000
12 Khung vỏ, PCB và phụ kiện Phíp đồng, nút nhấn, còi chip, cọc vít 1 bộ 150.000 150.000
TỔNG Tổng chi phí linh kiện phần cứng 1.195.000 VNĐ

Hiệu quả hoàn vốn (ROI): Ước tính một phòng ngủ gia đình tiết kiệm trung bình $1.5\text{ kWh}$ điện mỗi ngày nhờ tự động ngắt đèn và thiết bị thừa trong lúc ngủ và khi vắng mặt. Với giá điện bình quân $2.500\text{ VNĐ/kWh}$, hệ thống giúp tiết kiệm khoảng $112.500\text{ VNĐ/tháng}$, mang lại thời gian thu hồi vốn đầu tư phần cứng trong vòng chưa đầy 11 tháng sử dụng.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Cảm biến radar LD2410B có độ nhạy rất cao nên nếu trong phòng có rèm cửa lay động mạnh trước gió quạt ở khoảng cách gần ($< 1\text{m}$) có thể gây nhận diện nhầm là có chuyển động vi mô.
  • Màn hình cảm ứng TFT 3.2 inch là loại cảm ứng điện trở (Resistive Touch) nên độ mượt và cảm giác vuốt chạm chưa đạt độ nhạy cao như màn hình cảm ứng điện dung (Capacitive Touch) của smartphone.
  • Truyền thông LoRa hiện tại hoạt động ở cấu hình điểm - điểm (Point-to-Point) cố định địa chỉ, chưa cấu hình mạng hình sao linh hoạt đa điểm (LoRaWAN).

Hướng phát triển và mở rộng

  1. Nâng cấp cảm biến sinh trắc nâng cao: Tích hợp radar sóng milimet 60GHz (HLK-LD6002) cho phép trích xuất trực tiếp nhịp tim (Heart Rate) và tần số hô hấp (Breathing Rate) để phân tích sâu các giai đoạn giấc ngủ (REM, Deep Sleep).
  2. Mở rộng kết nối Đa phương thức: Tận dụng bộ thu phát Wi-Fi/Bluetooth tích hợp sẵn của ESP32 để đồng bộ dữ liệu lên Dashboard Home Assistant / MQTT Server, cho phép theo dõi từ xa qua Internet bên cạnh kênh sóng vô tuyến LoRa.
  3. Tối ưu hóa mạch in và vỏ hộp thương mại: Thiết kế lại mạch in PCB chuẩn công nghiệp dạng module cắm ray DIN (DIN Rail Module) hoặc module âm tường chuẩn chữ nhật $118 \times 72\text{ mm}$, sử dụng nhựa chống cháy ABS đúc áp lực.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử / IoT: Tài liệu tham khảo toàn diện về thiết kế phần cứng vi điều khiển 32-bit, kỹ thuật phân bổ công suất nguồn hỗn hợp đa điện áp (220VAC, 12VDC, 5VDC), phương pháp giao tiếp vi điều khiển với nhiều chuẩn bus (I2C, SPI, UART) và giải thuật định thời gian thực không nghẽn.
  • Kỹ sư phát triển phần mềm nhúng (Firmware Developers): Cung cấp mô hình lập trình máy trạng thái hữu hạn xử lý tín hiệu cảm biến thông minh, kỹ thuật chống rung phím (debounce), lập trình giao diện GUI đồ họa trên màn hình LCD/TFT và cơ chế truyền nhận gói tin tin cậy qua LoRa.
  • Doanh nghiệp sản xuất thiết bị Smart Home: Khung giải pháp chi phí thấp ($\approx 50\text{ USD}$) để thương mại hóa giải pháp nhận diện phòng ngủ thông minh bảo vệ quyền riêng tư, thay thế các hệ thống camera phức tạp và đắt đỏ.
  • Người dùng dân dụng: Nâng cao chất lượng giấc ngủ, loại bỏ nỗi lo quên tắt thiết bị điện, kiểm soát báo thức tiện lợi và tối ưu hóa hóa đơn tiền điện hàng tháng một cách hoàn toàn tự động.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật để thi công và nạp code cho hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu máy tính cài đặt phần mềm Arduino IDE (phiên bản $\ge 2.0.0$) cùng gói board mạch ESP32 của Espressif Systems (phiên bản $\ge 2.0.11$). Các thư viện phụ thuộc bắt buộc bao gồm TFT_eSPI (cần cấu hình chuẩn chân ILI9341 trong file User_Setup.h), RTClib của Adafruit và LiquidCrystal_I2C. Phần cứng yêu cầu nguồn cấp ổn định $5\text{VDC} - 2\text{A}$ qua cổng micro USB/Type-C để nạp chương trình.

2. Giới hạn khoảng cách truyền nhận và phương án mở rộng mạng LoRa?

Trong điều kiện thực tế nhiều vật cản và tường gạch bê tông, module SX1278 E32 (công suất $20\text{dBm}$) truyền nhận ổn định ở khoảng cách $30 - 50\text{m}$. Ở môi trường thông thoáng ngoài trời, khoảng cách có thể đạt tới $1000\text{m}$. Để mở rộng hệ thống cho tòa nhà nhiều tầng, có thể chuyển đổi giao thức sang LoRaWAN hoặc thiết lập cấu hình mạng Mesh chuyển tiếp gói tin (Relay Nodes).

3. Hệ thống có thể tích hợp vào hệ sinh thái nhà thông minh có sẵn (như Home Assistant, Apple HomeKit) không?

Có. Vi điều khiển trung tâm sử dụng chip ESP32 tích hợp sẵn phần cứng Wi-Fi $2.4\text{GHz}$. Người lập trình hoàn toàn có thể kích hoạt thư viện PubSubClient để gửi trạng thái thiết bị và chế độ phòng (SLEEPING, NORMAL, NO PERSON) lên MQTT Broker của Home Assistant song song với việc truyền thông LoRa cục bộ.

4. Chi phí bảo trì định kỳ và tuổi thọ linh kiện như thế nào?

Hệ thống sử dụng các linh kiện bán dẫn thể rắn có độ bền cao, tuổi thọ ước tính $> 5$ năm hoạt động liên tục. Hạng mục duy nhất cần bảo dưỡng là thay thế viên pin cúc áo Lithium CR2032 của module RTC DS1307 sau mỗi 3–5 năm vận hành để duy trì đồng hồ thời gian thực khi mất điện lưới.

5. Tại sao hệ thống chọn kết hợp cả Radar FMCW và PIR thay vì chỉ dùng một loại cảm biến?

Cảm biến PIR chỉ phản hồi khi có chuyển động thay đổi bức xạ nhiệt (khi người đi lại), nên khi người dùng nằm ngủ bất động, PIR sẽ xuất mức logic $0$ (dẫn đến ngắt nhầm thiết bị). Ngược lại, Radar FMCW 24GHz có thể phát hiện chuyển động vi mô (hô hấp, lồng ngực), nhưng radar có thể bị kích hoạt nhầm bởi các vật thể chuyển động nhỏ. Việc kết hợp logic giữa 2 cảm biến (Radar xác định sự hiện diện tĩnh, PIR xác nhận chuyển động lớn) giúp triệt tiêu hoàn toàn điểm mù và lỗi cảnh báo giả.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống tạo ra căn phòng thông minh có giám sát và điều khiển từ xa" đã hoàn thành xuất sắc toàn bộ các mục tiêu đặt ra. Bằng việc kết hợp sáng tạo giữa công nghệ radar sóng milimet 24GHz FMCW, cảm biến hồng ngoại thụ động PIR, mạng truyền thông vô tuyến tầm xa LoRa Sub-1GHz và vi điều khiển ESP32 32-bit mạnh mẽ, hệ thống mang đến một giải pháp tự động hóa phòng ngủ không xâm lấn, bảo mật quyền riêng tư tuyệt đối và tiết kiệm năng lượng hiệu quả. Sản phẩm mẫu đã được thi công hoàn chỉnh, hoạt động với độ ổn định cao và đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật của một thiết bị IoT ứng dụng thực tế.