Thiết kế và Triển khai Hệ thống Nhà Thông Minh Sử dụng IoT

Hệ thống nhà thông minh đang trở thành xu hướng phổ biến trong cuộc sống hiện đại. 104 trang · Ho Chi Minh City University of Technology and Education · 2024.

• Tác giả: Bùi Tuấn Đạt
• Người hướng dẫn: Dr. Trương Quang Phúc, M.ENG
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Computer Engineering Technology
• Đề tài: Design and Implementation for Smart Home Using IoT System
• Loại tài liệu: graduation project
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGMENTS
• ABSTRACT
• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• LIST OF ABBREVIATIONS
• 1. CHAPTER 1: Overview
• 1.1. Objectives
• 1.2. Limitation
• 1.3. Research Method
• 1.4. Study object
• 1.5. Scope of object
• 1.6. Research content
• 1.7. Outline

Tóm tắt

I. Tổng quan về Thiết kế và Triển khai Hệ thống Nhà Thông Minh Sử dụng IoT

Hệ thống nhà thông minh đang trở thành xu hướng phổ biến trong cuộc sống hiện đại. Với sự phát triển của công nghệ IoT, việc thiết kế và triển khai các hệ thống này không chỉ mang lại sự tiện lợi mà còn nâng cao chất lượng cuộc sống. Hệ thống nhà thông minh cho phép người dùng quản lý và điều khiển các thiết bị trong nhà từ xa thông qua điện thoại thông minh hoặc máy tính. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

1.1. Khái niệm về Hệ thống Nhà Thông Minh và IoT

Hệ thống nhà thông minh là một mạng lưới các thiết bị được kết nối với nhau thông qua Internet, cho phép người dùng điều khiển và giám sát từ xa. IoT, hay Internet of Things, là công nghệ cho phép các thiết bị giao tiếp và trao đổi dữ liệu với nhau.

1.2. Lợi ích của Hệ thống Nhà Thông Minh

Hệ thống nhà thông minh mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm năng lượng, tăng cường an ninh và cải thiện sự tiện nghi trong cuộc sống hàng ngày. Người dùng có thể dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ, ánh sáng và các thiết bị khác chỉ bằng một cú chạm trên điện thoại.

II. Thách thức trong Thiết kế Hệ thống Nhà Thông Minh Sử dụng IoT

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc thiết kế và triển khai hệ thống nhà thông minh cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ tin cậy của kết nối Internet, bảo mật thông tin và khả năng tương thích giữa các thiết bị là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Vấn đề về Bảo mật trong Hệ thống IoT

Bảo mật là một trong những thách thức lớn nhất trong hệ thống nhà thông minh. Các thiết bị IoT thường dễ bị tấn công, do đó cần có các biện pháp bảo vệ mạnh mẽ để đảm bảo an toàn cho người dùng.

2.2. Khả năng Tương thích giữa Các Thiết bị

Khả năng tương thích giữa các thiết bị khác nhau trong hệ thống nhà thông minh là rất quan trọng. Việc sử dụng các giao thức và tiêu chuẩn khác nhau có thể gây ra khó khăn trong việc tích hợp và vận hành hệ thống.

III. Phương pháp Thiết kế Hệ thống Nhà Thông Minh Sử dụng IoT

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

3.1. Lựa chọn Cảm biến và Thiết bị IoT

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

3.2. Thiết kế Giao diện Người Dùng

Giao diện người dùng cần phải thân thiện và dễ sử dụng. Việc thiết kế ứng dụng di động và trang web điều khiển hệ thống cần phải đảm bảo tính trực quan và dễ dàng thao tác cho người dùng.

IV. Ứng dụng Thực tiễn của Hệ thống Nhà Thông Minh Sử dụng IoT

Hệ thống nhà thông minh đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ quản lý năng lượng đến an ninh. Các ứng dụng này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao chất lượng cuộc sống cho người sử dụng.

4.1. Quản lý Năng lượng Thông minh

Hệ thống nhà thông minh có thể giúp người dùng theo dõi và quản lý mức tiêu thụ năng lượng, từ đó tối ưu hóa chi phí điện năng hàng tháng.

4.2. An ninh và Giám sát

Các thiết bị an ninh như camera và cảm biến chuyển động có thể được tích hợp vào hệ thống nhà thông minh, giúp người dùng giám sát an ninh ngôi nhà từ xa.

V. Kết luận và Tương lai của Hệ thống Nhà Thông Minh Sử dụng IoT

Hệ thống nhà thông minh sử dụng IoT đang ngày càng trở nên phổ biến và có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong tương lai. Với sự tiến bộ của công nghệ, các giải pháp mới sẽ được phát triển để cải thiện tính năng và hiệu quả của hệ thống.

5.1. Xu hướng Phát triển trong Tương lai

Trong tương lai, các hệ thống nhà thông minh sẽ ngày càng thông minh hơn với khả năng tự học và tự điều chỉnh theo thói quen của người dùng.

5.2. Tích hợp Công nghệ Mới

Việc tích hợp các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và máy học vào hệ thống nhà thông minh sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc cải thiện trải nghiệm người dùng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ thông tin và truyền thông phát triển mạnh mẽ, Internet vạn vật (Internet of Things - IoT) đã trở thành nền tảng cốt lõi cho việc kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị từ xa qua môi trường mạng. Song hành với sự thay đổi của đời sống hiện đại, không gian sống của con người chuyển dịch từ các căn hộ truyền thống sang mô hình nhà thông minh (Smart Home) nhằm tối ưu hóa tiện ích, nâng cao tính an toàn và tiết kiệm năng lượng.

Đề tài "Thiết kế và Triển khai Hệ thống Nhà Thông Minh Sử dụng IoT" (Design and Implementation for Smart Home using IoT System) được thực hiện bởi sinh viên Bùi Tuấn Đạt và Trần Phan Bảo Khang (ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Khoa Đào tạo Quốc tế, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) dưới sự hướng dẫn của ThS. Trương Quang Phúc (tháng 01/2024). Nghiên cứu hướng đến việc khắc phục các nhược điểm của các hệ sinh thái IoT trước đây như độ trễ hệ thống, tính ổn định trong truyền dữ liệu, đồng thời phát triển các giải pháp an ninh, cảnh báo sự cố khẩn cấp thông qua tin nhắn di động.

Các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đồ án bao gồm:

1. Thiết kế và thi công mô hình phần cứng nhà thông minh phân tán thành 3 không gian chức năng độc lập: phòng khách (Living room), phòng ngủ (Bedroom) và nhà bếp (Kitchen), mỗi khu vực được quản lý bởi một vi điều khiển ESP32 riêng biệt.
2. Xây dựng hệ thống thu thập thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí gas, phát hiện ngọn lửa) và quản lý thiết bị gia dụng (hệ thống đèn LED 12V, quạt làm mát 12V, cửa tự động dùng động cơ servo).
3. Thiết lập hệ thống an ninh kiểm soát ra vào sử dụng công nghệ nhận dạng qua tần số vô tuyến (RFID) và cảm biến hồng ngoại, hỗ trợ chế độ xác thực thẻ hợp lệ, cảnh báo xâm nhập trái phép và quản lý danh sách thẻ (thêm/xóa thẻ thành viên).
4. Tích hợp cơ chế cảnh báo nguy hiểm tự động: kích hoạt còi báo động, quạt hút khí gas và gửi tin nhắn cảnh báo khẩn cấp (SMS) đến số điện thoại người dùng qua module viễn thông SIM800L khi xảy ra sự cố cháy hoặc rò rỉ khí gas.
5. Phát triển giao diện người dùng đa nền tảng gồm ứng dụng di động trên hệ điều hành Android (Android Studio) và trang web điều khiển (HTML/CSS/JavaScript), kết nối đồng bộ dữ liệu thời gian thực thông qua máy chủ trung gian MQTT Cloud.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng nhúng (ESP32-WROOM-32, module nguồn LM2596, module GSM/GPRS SIM800L, module RFID RC522, các cảm biến DHT11, MQ-2, Flame sensor, cảm biến vật cản hồng ngoại, LCD 16x2 I2C, động cơ Servo SG90) và các giao thức truyền thông mạng, giao diện điều khiển phần mềm.
• Phạm vi nghiên cứu: Mô hình nhà thông minh quy mô thực nghiệm thu nhỏ gồm 3 phòng chức năng, vận hành thông qua mạng không dây Wi-Fi nội bộ kết hợp máy chủ đám mây MQTT Cloud và mạng di động GSM.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và chuẩn truyền thông

Nghiên cứu ứng dụng mô hình kiến trúc IoT trong nhà thông minh dựa trên 5 trụ cột chức năng: quản lý từ xa (Remote Management), tự động hóa (Automation), hiệu quả năng lượng (Energy Efficiency), bảo mật an ninh (Security) và giám sát môi trường sức khỏe (Health Monitoring).

Hệ thống ứng dụng các chuẩn truyền thông và giao thức mạng sau:

• Giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): Hoạt động theo mô hình Publish/Subscribe (Xuất bản/Đăng ký) thông qua máy chủ trung gian (Broker) và các nút trạm (Clients). Giao thức tối ưu băng thông thấp, độ trễ nhỏ, hỗ trợ 3 cấp độ dịch vụ: QoS 0 (gửi tối đa một lần, không xác nhận), QoS 1 (gửi ít nhất một lần, có xác nhận ACK) và QoS 2 (gửi chính xác một lần thông qua cơ chế bắt tay 4 bước).
• Chuẩn truyền thông không dây Wi-Fi (IEEE 802.11 b/g/n): Băng tần 2.4 GHz, hỗ trợ truyền tải dữ liệu tốc độ cao giữa các vi điều khiển ESP32 và Broker.
• Chuẩn truyền thông không dây Bluetooth (BLE): Chuẩn truyền thông tầm ngắn tiết kiệm năng lượng.
• Các chuẩn mạng có dây tham chiếu: Ethernet (hạ tầng mạng có dây bảo mật cao, tương thích TCP/IP) và RS-485 (chuẩn truyền thông nối tiếp công nghiệp, tốc độ lên đến 10 Mbps, cự ly truyền tối đa 1 km, chống nhiễu vượt trội).
• Các giao thức truyền thông ngoại vi vi mạch:
  • I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao tiếp đồng bộ 2 dây (SCL - Serial Clock Line và SDA - Serial Data Line), hỗ trợ định địa chỉ 7-bit và phản hồi ACK/NACK giữa Master và Slave.
  • UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ qua hai chân TX (truyền) và RX (nhận), định dạng khung truyền gồm Start bit, 5-8 Data bits, Parity bit kiểm tra lỗi và Stop bit.
  • SPI (Serial Peripheral Interface): Giao tiếp đồng bộ song công toàn phần (Full-duplex) 4 dây gồm MOSI (Master Out Slave In), MISO (Master In Slave Out), SCLK (Serial Clock) và SS/CS (Slave Select).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được triển khai theo quy trình kỹ thuật hệ thống:

1. Khảo sát các công trình, đề tài nhà thông minh IoT đã công bố nhằm xác định yêu cầu kỹ thuật và giới hạn của các hệ thống đi trước.
2. Phân tích, tổng hợp lý thuyết về vi điều khiển, module chức năng và các ngôn ngữ lập trình (C/C++ cho vi điều khiển, Java cho ứng dụng di động, HTML/CSS/JavaScript cho giao diện Web).
3. Thiết kế, mô phỏng sơ đồ nguyên lý mạch điện trên phần mềm chuyên dụng Proteus.
4. Thiết kế mạch in (PCB) và thi công lắp ráp phần cứng vật lý hoàn chỉnh.
5. Lập trình nhúng firmware cho 3 vi điều khiển ESP32 và xây dựng phần mềm quản lý trên nền tảng Android Studio, Web Server và MQTT Cloud.
6. Thực nghiệm đo đạc, kiểm thử từng khối chức năng và đánh giá hiệu năng vận hành của toàn hệ thống.

---

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc phần cứng phân tán

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân tán với 3 nút điều khiển (Nodes) riêng biệt đặt tại 3 phòng, liên kết với nhau và kết nối đến Host thông qua mạng Wi-Fi:

Nút chức năng	Vi điều khiển	Cảm biến tích hợp	Thiết bị chấp hành & Hiển thị	Module mở rộng & Giao tiếp
Phòng khách (Living Room)	ESP32-WROOM-32 (Dual-core 240 MHz)	- Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 - Cảm biến vật cản hồng ngoại (LM393)	- Động cơ Servo SG90 (mở/khóa cửa 180°) - Đèn chiếu sáng LED Bar 12V - Còi báo động (Buzzer) - Màn hình LCD 16x2	- Module đọc thẻ RFID RC522 (13.56 MHz, giao tiếp SPI) - Mạch chuyển đổi LCD sang I2C - Module GSM/GPRS SIM800L (giao tiếp UART)
Phòng ngủ (Bedroom)	ESP32-WROOM-32 (Dual-core 240 MHz)	- Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11	- Đèn chiếu sáng LED Bar 12V - Quạt làm mát 12V (5000 RPM) - Màn hình LCD 16x2 - Nút nhấn cơ học (Push Button)	- Mạch chuyển đổi LCD sang I2C
Nhà bếp (Kitchen)	ESP32-WROOM-32 (Dual-core 240 MHz)	- Cảm biến khí gas MQ-2 (SnO2) - Cảm biến ngọn lửa Flame Sensor (760-1100 nm, góc quét 60°)	- Quạt thông gió 12V - Còi cảnh báo sự cố - Màn hình LCD 16x2 - Nút nhấn cơ học	- Mạch chuyển đổi LCD sang I2C

Thiết kế khối nguồn (Power Supply Block)

Khối nguồn sử dụng module hạ áp LM2596 DC-DC Buck Converter để chuyển đổi nguồn điện một chiều:

• Điện áp ngõ vào: 4.5V – 35V DC.
• Điện áp ngõ ra: Điều chỉnh từ 1.5V – 30V DC với hiệu suất chuyển đổi đạt 92%, dòng tải tối đa 3A.
• Module LM2596 cung cấp nguồn 5V ổn định cho các vi điều khiển ESP32, màn hình LCD, cảm biến và cung cấp điện áp phù hợp cho module SIM800L (yêu cầu dải điện áp 3.4V – 4.4V DC, dòng đỉnh khi phát sóng từ 1A – 2A). Nguồn 12V DC trực tiếp cấp cho quạt làm mát và thanh LED Bar Samsung.

Điều khiển Module SIM800L qua tập lệnh AT

Module SIM800L kết nối với chân UART của vi điều khiển ESP32 phòng khách để thực hiện cuộc gọi và gửi tin nhắn cảnh báo. Các tập lệnh AT cơ bản được cấu hình bao gồm:

• AT: Kiểm tra trạng thái phản hồi của module.
• AT+CSQ: Kiểm tra chất lượng sóng di động.
• AT+COPS: Kiểm tra tên nhà mạng viễn thông.
• ATD[Phone_number];: Lệnh thực hiện cuộc gọi khẩn cấp.
• ATH: Lệnh kết thúc cuộc gọi.
• AT+CMGF=1: Cấu hình chế độ tin nhắn văn bản (Text mode).
• AT+CMGS="Phone_number": Thiết lập số điện thoại nhận tin nhắn cảnh báo SMS.
• AT+CNMI=2,2: Hiển thị nội dung tin nhắn ngay khi nhận được dữ liệu.

Thiết kế phần mềm và giải thuật

• Phần mềm máy chủ (IoT Host): Sử dụng nền tảng MQTT Cloud đóng vai trò Broker trực tuyến 24/7, định tuyến các gói tin giữa các node ESP32 và ứng dụng điều khiển.
• Ứng dụng di động (Android App): Được lập trình bằng ngôn ngữ Java trên môi trường Android Studio. Ứng dụng cung cấp bảng điều khiển trực quan hiển thị nhiệt độ, độ ẩm từng phòng, nút bật/tắt thiết bị, giám sát trạng thái cửa và nhận thông báo cảnh báo nguy hiểm.
• Website điều khiển: Xây dựng trên nền tảng HTML5 (cấu trúc nội dung), CSS (định dạng giao diện) và JavaScript (xử lý logic tương tác phía client). JavaScript trực tiếp giao tiếp với MQTT Broker qua WebSockets để cập nhật dữ liệu và gửi tín hiệu điều khiển không cần tải lại trang.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Overview (Tổng quan)

Chương này giới thiệu tổng quan về sự phát triển của công nghệ Internet vạn vật (IoT) và xu hướng ứng dụng vào mô hình nhà thông minh hiện đại. Tác giả trình bày chi tiết lý do lựa chọn đề tài, xác định mục tiêu nghiên cứu nhằm nâng cao tính tiện nghi, an ninh và an toàn cho người sử dụng; phân tích các giới hạn kỹ thuật của hệ thống thu nhỏ; nêu rõ phương pháp nghiên cứu, đối tượng, phạm vi khảo sát và cấu trúc 5 chương của đồ án.

Chương 2. IoT Model Application in Smart Home (Ứng dụng mô hình IoT trong Nhà thông minh)

Chương 2 trình bày toàn diện cơ sở lý thuyết về các chuẩn truyền thông mạng và thông số kỹ thuật chi tiết của các linh kiện phần cứng, công nghệ phần mềm được sử dụng:

• Tổng quan kiến trúc IoT và các ưu điểm trong Smart Home (quản lý từ xa, tự động hóa, an ninh, giám sát sức khỏe).
• Phân tích nguyên lý các chuẩn truyền thông: MQTT, Wi-Fi 802.11, Bluetooth BLE, Ethernet, RS-485 và các giao thức nối tiếp I2C, UART, SPI.
• Cấu trúc và thông số kỹ thuật của vi điều khiển ESP32-WROOM-32 (bộ vi xử lý Xtensa LX6 dual-core, xung nhịp 240 MHz, ROM 448 KB, SRAM 520 KB, hỗ trợ chuẩn Wi-Fi/BLE và các bộ tăng tốc phần cứng mã hóa AES, RSA, SHA-2).
• Thông số kỹ thuật của các module: LM2596, SIM800L (kèm bảng tập lệnh AT cho gọi điện và nhắn tin), RFID RC522 (tần số 13.56 MHz), Servo SG90 (góc quay 180°, điều khiển PWM), cảm biến hồng ngoại LM393, màn hình LCD 16x2 giao tiếp qua mạch I2C (trình điều khiển HD44780), cảm biến DHT11 (đo nhiệt độ 0–50°C, độ ẩm 20–90%), cảm biến khí gas MQ-2, cảm biến lửa Flame sensor, quạt 12V (5000 RPM) và thanh LED Bar Samsung 12V.
• Khái quát về ngôn ngữ thiết kế Web (HTML, CSS, JavaScript), nền tảng MQTT Cloud và công cụ phát triển ứng dụng di động Android Studio.

Chương 3. Design and Implementation (Thiết kế và Triển khai)

Chương này mô tả chi tiết quy trình thiết kế hệ thống từ yêu cầu bài toán đến sơ đồ mạch và giải thuật phần mềm:

• Xây dựng sơ đồ khối tổng thể hệ thống gồm 3 node phòng độc lập, khối nguồn, khối Host IoT và các giao diện người dùng (App/Web).
• Phân tích sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý chi tiết cho từng phòng: Living room, Bedroom, Kitchen.
• Thiết kế mạch nguồn cung cấp điện áp 5V, 12V và dải điện áp riêng cho SIM800L.
• Xây dựng lưu đồ giải thuật (Flowchart) cho chương trình điều khiển vi điều khiển (MCU) của từng phòng.
• Lập bảng kết nối chân chi tiết giữa ESP32 với các cảm biến DHT11, RFID RC522, LCD I2C, module SIM800L và rơ-le điều khiển thiết bị.
• Thiết kế cấu trúc truyền nhận dữ liệu trên MQTT Cloud, lưu đồ giải thuật ứng dụng Android và kịch bản JavaScript cho Website.

Chương 4. Results (Kết quả thực nghiệm và Đánh giá)

Chương 4 công bố kết quả thi công thực tế và đánh giá độ chính xác của hệ thống qua các hình ảnh và bảng tổng hợp thực nghiệm:

• Trình bày hình ảnh mô hình vật lý hoàn chỉnh nhìn từ trên xuống (Top-Down view), bố trí linh kiện và layout mạch in PCB của cả 3 phòng.
• Giao diện hoàn chỉnh của trang Web và ứng dụng di động Android.
• Kết quả kiểm thử chức năng điều khiển bật/tắt thiết bị và đồng bộ giá trị nhiệt độ, độ ẩm từ cảm biến DHT11 lên LCD phòng khách, ứng dụng di động và website.
• Kết quả kiểm thử khối an ninh RFID: xác thực thẻ đúng (cửa mở góc 180°), thẻ không hợp lệ (phát cảnh báo lỗi), chế độ thêm thẻ mới (Add mode) và xóa thẻ (Delete mode).
• Kết quả kiểm thử tính năng an toàn: khi ESP32 nhà bếp phát hiện nồng độ gas vượt ngưỡng hoặc có ngọn lửa, màn hình LCD hiển thị cảnh báo, còi báo động kích hoạt, quạt thông gió tự động bật, máy chủ Host ghi nhận trạng thái và module SIM800L lập tức gửi tin nhắn SMS cảnh báo cháy/rò rỉ gas đến điện thoại người dùng.

Chương 5. Conclusions and Future Work (Kết luận và Hướng phát triển)

Chương 5 tóm tắt các kết quả đạt được đối với toàn bộ mục tiêu thiết kế và đề xuất 4 định hướng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện hệ thống trong môi trường thực tế.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình vật lý nhà thông minh 3 phòng với đầy đủ các tính năng kỹ thuật:

• Kiểm soát ra vào cửa an toàn: Module RFID RC522 (13.56 MHz) phân quyền chính xác thẻ từ; khi quẹt đúng thẻ, vi điều khiển kích hoạt Servo SG90 xoay 180° để mở cửa; khi quẹt thẻ sai hoặc có đột nhập, hệ thống phát tín hiệu cảnh báo tại chỗ và gửi SMS cảnh báo đến chủ nhà. Hệ thống hỗ trợ linh hoạt chức năng thêm/xóa thẻ trực tiếp.
• Phát hiện và cảnh báo cháy, nổ tự động: Cảm biến ngọn lửa và cảm biến MQ-2 nhận diện chính xác sự cố rò rỉ khí gas/lửa; kích hoạt tức thời còi cảnh báo, bật quạt hút thông gió công suất 5000 RPM, hiển thị thông báo khẩn cấp lên LCD 16x2, gửi thông báo lên giao diện Web/App và gửi tin nhắn SMS cảnh báo cháy/rò rỉ khí qua mạng GSM bằng module SIM800L.
• Giám sát môi trường và điều khiển đa kênh: Thu thập liên tục các thông số nhiệt độ, độ ẩm trong dải 0–50°C và 20–90% RH từ cảm biến DHT11, đồng bộ dữ liệu thời gian thực giữa màn hình LCD phần cứng, ứng dụng Android và giao diện Web qua MQTT Cloud; cho phép điều khiển bật/tắt các thiết bị chiếu sáng (LED Bar 12V) và làm mát (quạt 12V) với độ trễ thấp.

Đóng góp của đề tài

• Xây dựng thành công giải pháp nhà thông minh phân tán sử dụng vi điều khiển ESP32 độc lập cho từng khu vực, giúp giảm tải xử lý cục bộ, hạn chế nguy cơ tê liệt toàn bộ hệ thống khi một node gặp sự cố so với các thiết kế tập trung truyền thống.
• Kết hợp đa phương thức truyền thông: mạng không dây Wi-Fi kết hợp giao thức MQTT mã nguồn mở trên nền tảng đám mây, đồng thời duy trì kênh cảnh báo vật lý độc lập qua mạng viễn thông GSM (SIM800L), đảm bảo thông tin khẩn cấp luôn được truyền tải đến người dùng ngay cả khi đường truyền Internet bị gián đoạn.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

Theo công bố của nhóm tác giả trong báo cáo:

• Quy mô mô hình: Hệ thống chỉ mới dừng lại ở mô hình thực nghiệm kích thước nhỏ, số lượng và chủng loại thiết bị chấp hành chưa đa dạng so với các hệ thống điện dân dụng thực tế.
• Phụ thuộc vào sóng mạng di động: Việc gửi tin nhắn cảnh báo khẩn cấp qua module SIM800L phụ thuộc trực tiếp vào chất lượng phủ sóng vật lý của nhà mạng viễn thông, có thể gây ra độ trễ gửi tin nhắn trong khu vực sóng yếu.
• Độ chính xác của cảm biến: Các module cảm biến tích hợp (DHT11, MQ-2, RFID RC522) là dòng linh kiện phục vụ học tập, thực nghiệm nên tầm đo và độ nhạy còn giới hạn khi vận hành trong môi trường công nghiệp hoặc điều kiện thực tế khắc nghiệt.

Hướng nghiên cứu tiếp

Tác giả đề xuất 4 định hướng phát triển cụ thể:

1. Phát triển thêm các tính năng mới đáp ứng các nhu cầu tiện ích mở rộng trong sinh hoạt hàng ngày.
2. Cải tiến, tối ưu hóa giao diện ứng dụng di động và website nhằm nâng cao tính thẩm mỹ và bổ sung các tính năng kỹ thuật quản trị nâng cao.
3. Ứng dụng các thiết bị phần cứng và cảm biến chuyên dụng có độ tin cậy và tiêu chuẩn công nghiệp vào hệ thống.
4. Xây dựng giải pháp kỹ thuật xử lý triệt để các tình huống sự cố mất kết nối mạng Wi-Fi và sự cố mất nguồn điện trong quá trình vận hành (như lưu trữ dữ liệu đệm ngoại tuyến, cơ chế tự phục hồi kết nối và tích hợp hệ thống nguồn dự phòng).

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên và học viên: Thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đang thực hiện đồ án tốt nghiệp, đề tài nghiên cứu về hệ thống nhúng và IoT.
• Nội dung tham khảo trọng tâm:
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý kết nối phần cứng giữa vi điều khiển ESP32 với các module ngoại vi qua các chuẩn giao tiếp I2C, SPI, UART và GPIO.
  • Cấu hình và lập trình tập lệnh AT cho module GSM SIM800L phục vụ các tác vụ gọi điện, gửi tin nhắn SMS tự động.
  • Kiến trúc phân tán nhiều nút vi điều khiển kết nối đồng bộ dữ liệu qua giao thức MQTT Cloud.
  • Kỹ thuật xây dựng giao diện điều khiển đa nền tảng kết hợp ứng dụng di động Android Studio (Java) và Website (HTML/CSS/JavaScript) tương tác thời gian thực với phần cứng nhúng.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Kiến trúc hệ thống nhà thông minh trong đồ án được phân chia như thế nào?
Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tán gồm 3 nút chức năng tương ứng với 3 phòng: phòng khách (Living room), phòng ngủ (Bedroom) và nhà bếp (Kitchen). Mỗi phòng được trang bị một vi điều khiển ESP32 độc lập để thu thập tín hiệu từ các cảm biến chuyên biệt và điều khiển các thiết bị trong phòng đó.

2. Giao thức truyền thông nào được sử dụng để liên lạc giữa các nút ESP32 và máy chủ giao diện?
Hệ thống sử dụng giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) thông qua nền tảng máy chủ đám mây MQTT Cloud theo mô hình Publish/Subscribe. Giao thức này cho phép truyền nhận dữ liệu nhanh, tiết kiệm băng thông và hỗ trợ đồng bộ trạng thái thời gian thực giữa phần cứng và ứng dụng.

3. Khi phát hiện sự cố rò rỉ khí gas hoặc cháy nổ tại nhà bếp, hệ thống xử lý tự động như thế nào?
Khi cảm biến khí gas MQ-2 hoặc cảm biến lửa phát hiện nguy cơ, ESP32 tại nhà bếp lập tức kích hoạt còi báo động, bật quạt thông gió 12V để hút khí, hiển thị trạng thái lên màn hình LCD, đẩy dữ liệu khẩn cấp lên MQTT Cloud (hiển thị trên App/Web) và gửi lệnh UART điều khiển module SIM800L gửi tin nhắn SMS cảnh báo nguy hiểm đến điện thoại người dùng.

4. Module viễn thông SIM800L kết nối với vi điều khiển qua giao thức nào và cấu hình những tập lệnh AT nào?
Module SIM800L giao tiếp với vi điều khiển ESP32 thông qua chuẩn nối tiếp UART (chân TX/RX). Module sử dụng tập lệnh AT tiêu chuẩn gồm: lệnh kiểm tra phản hồi (AT), cấu hình chế độ tin nhắn văn bản (AT+CMGF=1), gửi tin nhắn cảnh báo (AT+CMGS), thực hiện cuộc gọi (ATD), ngắt cuộc gọi (ATH), kiểm tra sóng (AT+CSQ) và cấu hình hiển thị tin nhắn đến (AT+CNMI=2,2).

5. Khối nguồn trong đồ án sử dụng giải pháp hạ áp nào và có thông số ra sao?
Khối nguồn sử dụng module hạ áp LM2596 DC-DC Buck Converter với dải điện áp ngõ vào 4.5V – 35V, điện áp ngõ ra có thể điều chỉnh trong khoảng 1.5V – 30V, dòng tải tối đa 3A và hiệu suất chuyển đổi 92%, đảm bảo cung cấp nguồn 5V ổn định cho vi điều khiển ESP32, màn hình LCD và dải điện áp riêng biệt cho module SIM800L.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và Triển khai Hệ thống Nhà Thông Minh Sử dụng IoT" của sinh viên Bùi Tuấn Đạt và Trần Phan Bảo Khang đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo mô hình nhà thông minh phân tán 3 node vi điều khiển ESP32. Hệ thống tích hợp toàn diện các chức năng giám sát nhiệt độ - độ ẩm, kiểm soát an ninh cửa bằng thẻ từ RFID và tự động xử lý, cảnh báo sự cố rò rỉ khí gas/cháy nổ qua tin nhắn SMS viễn thông. Giải pháp điều khiển đa nền tảng kết hợp ứng dụng Android, giao diện Web và máy chủ MQTT Cloud đã chứng minh khả năng vận hành ổn định, cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật cao cho các nghiên cứu ứng dụng IoT tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION PROJECT OF COMPUTER ENGINEERING TECHNOLOGY DESIGN AND IMPLEMENTATION FOR SMART HOME USING LOT SYSTEM INSTRUCTOR: DR.TRUONG QUANG PHUC STUDENT: BUI TUAN DAT TRAN PHAN BAO KHANG SKL012543 Ho Chi Minh City, JANUARY, 2024 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION GRADUATION PROJECT DESIGN AND IMPLEMENTATION FOR SMART HOME USING LOT SYSTEM BÙI TUẤN ĐẠT Student ID: 19119039 TRẦN PHAN BẢO KHANG Student ID: 19119059 Major: COMPUTER ENGINEERING TECHNOLOGY Advisor: TRƯƠNG QUANG PHÚC, M.ENG Ho Chi Minh City, January 2024 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION GRADUATION PROJECT DESIGN AND IMPLEMENTATION FOR SMART HOME USING IOT SYSTEM BÙI TUẤN ĐẠT Student ID: 19119039 TRẦN PHAN BẢO KHANG Student ID: 19119059 Major: COMPUTER ENGINEERING TECHNOLOGY Advisor: TRƯƠNG QUANG PHÚC, M.ENG Ho Chi Minh City, January 2024 Faculty of International Education – HCMC University of Technology and Education THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, January 6, 2024 GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT Student name: Bùi Tuấn Đạt Student ID: 19119039 Student name: Trần Phan Bảo Khang Student ID: 19119059 Major: Computer Engineering Technology Class: 19119CLA Advisor: Trương Quang Phúc, MEng Phone number: _________________ Date of assignment: _____________________ Date of submission: _____________ 1. Project title: Design and implementation for smart home using IoT system 2. Initial materials provided by the advisor: Referring to IoT projects and courses completed by previous colleagues. Content of the project: Execute this project including contents: designed the system, constructed circuits using Proteus software, implemented hardware models and system control interface, and finally, documented the project in a report 4.

Final product: Final product: IoT system model for smart homes CHAIR OF THE PROGRAM ADVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) Trương Quang Phúc Faculty of International Education – HCMC University of Technology and Education THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, January 6, 2024 ADVISOR’S EVALUATION SHEET Student name: Bùi Tuấn Đạt Student ID: 19119039 Student name: Trần Phan Bảo Khang Student ID: 19119059 Major: Computer Engineering Technology Project title: Design and implementation for smart home using IoT system. Advisor: Trương Quang Phúc, MEng EVALUATION 1. Content of the project:. Approval for oral defense? (Approved or denied) Approved 5.

Overall evaluation: (Excellent, Good, Fair, Poor) Fair 6.) Ho Chi Minh City, January 6, 2024 ADVISOR (Sign with full name) Trương Quang Phúc Faculty of International Education – HCMC University of Technology and Education THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, January 20, 2024 PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET Student name: Bùi Tuấn Đạt Student ID: 19119039 Student name: Trần Phan Bảo Khang Student ID: 19119059 Major: Computer Engineering Technology Project title: Design and implementation for smart home using IoT system. Name of Reviewer:. Content and workload of the project. Approval for oral defense? (Approved or denied) .) Ho Chi Minh City, … …, … REVIEWER (Sign with full name) Faculty of International Education – HCMC University of Technology and Education THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, January 20, 2024 EVALUATION SHEET OF DEFENSE COMMITTEE MEMBER Student name: Bùi Tuấn Đạt Student ID: 19119039 Student name: Trần Phan Bảo Khang Student ID: 19119059 Major: Computer Engineering Technology Project title: Design and implementation for smart home using IoT system.

Name of Defense Committee Member:. Content and workload of the project .) Ho Chi Minh City, … …, … COMMITTEE MEMBER (Sign with full name) Faculty of International Education – HCMC University of Technology and Education ACKNOWLEDGMENTS Throughout the four years of studying and training at the Ho Chi Minh City University of Technology and Education's Faculty of International Education, under the dedicated guidance of the faculty members, especially the professors and lecturers in the Computer Engineering department, we have been allowed to learn and apply valuable and practical knowledge. We would like to express our deepest gratitude to our esteemed professors for their diligent efforts in imparting valuable knowledge and precious experiences to us.