Thiết Kế và Triển Khai Hệ Thống Nhà Thông Minh

Hệ thống nhà thông minh đang trở thành xu hướng phổ biến trong cuộc sống hiện đại. 85 trang · Ho Chi Minh City University of Technology and Education · 2024.

• Tác giả: Lê Bá Minh Đạt
• Người hướng dẫn: Assoc.D Phan Văn Ca
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Computer Engineering Technology
• Đề tài: Design and Implementation of Smart Home System
• Loại tài liệu: graduation project
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENTS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Object and Scope of the study
• 1.1.1. Object of the study
• 1.1.2. Scope of the study
• 1.2. Research Method
• 1.3. Research contents
• 1.3.1. Content 1: Analyze the challenges of the project
• 1.3.2. Content 2: Learn about the technical specifications, guiding thought and theoretical basis of the components of the hardware
• 1.3.3. Content 3: Propose the model and summarize the overall system. Design block diagram, principle diagram
• 1.3.4. Content 4: System configuration and design hardware
• 1.3.5. Content 5: Test run, check, evaluate and adjust
• 1.3.6. Content 6: Conduct report writing
• 1.3.7. Content 7: Thesis defense
• 1.4. Outline
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Internet of Thing
• 2.2. IoT systems structure
• 2.3. SPI operating principle
• 2.4. UART operating principle
• 2.5. DHT11 temperature and humidity sensor
• 2.6. MQ3 alcohol gas sensor module
• 2.7. Global System for Mobile communication
• 2.8. Short messaging Service
• 2.9. Introduces the SIM800L V2 module
• 2.10. RC522 Module RFID Reader
• 2.11. Energy Meter Module PZEM-004T
• 2.12. 20x4 Character LCD Display
• 2.13. Servo Motor SG90
• 2.14. DC-DC XL4015 5A power module
• 2.15. LDR Sensor Module
• 3. CHAPTER 3: SYSTEM DESIGN AND IMPLEMENTATION
• 3.1. System model of a smart home
• 3.2. Block diagram and functions of each block
• 3.3. Packaging and model construction
• 3.4. Smart Home control interface on Blynk App and Blynk Dashboard
• 4. CHAPTER 4: RESULTS, OBSERVATIONS, AND EVALUATIONS
• 5. CHAPTER 5: CONCLUSION AND FUTURE DEVELOPMENTS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• LIST OF ABBREVIATIONS
• ABSTRACT

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế và Triển Khai Hệ Thống Nhà Thông Minh

Hệ thống nhà thông minh đang trở thành xu hướng phổ biến trong cuộc sống hiện đại. Việc áp dụng công nghệ IoT vào nhà ở không chỉ mang lại sự tiện nghi mà còn nâng cao an ninh và tiết kiệm năng lượng. Nghiên cứu này sẽ phân tích các khía cạnh quan trọng trong việc thiết kế và triển khai hệ thống nhà thông minh, từ các thành phần kỹ thuật đến ứng dụng thực tiễn.

1.1. Khái Niệm Về Nhà Thông Minh và Công Nghệ IoT

Nhà thông minh là một hệ thống tích hợp các thiết bị thông minh, cho phép người dùng điều khiển và giám sát từ xa. Công nghệ IoT đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các thiết bị này, tạo ra một môi trường sống thông minh và tiện nghi.

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 chất lượng cuộc sống. Các thiết bị thông minh có thể tự động hóa nhiều quy trình, giúp người dùng tiết kiệm thời gian và công sức.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Thiết Kế Hệ Thống Nhà Thông Minh

Mặc dù hệ thống nhà thông minh mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại nhiều thách thức cần giải quyết. Các vấn đề như tính tương thích giữa các thiết bị, bảo mật thông tin và độ tin cậy của hệ thống là những yếu tố quan trọng cần được xem xét.

2.1. Tính Tương Thích Giữa Các Thiết Bị

Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo rằng các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau có thể hoạt động cùng nhau. Sự khác biệt về tiêu chuẩn và giao thức có thể gây khó khăn trong việc tích hợp.

2.2. Bảo Mật Thông Tin Trong Hệ Thống Nhà Thông Minh

Bảo mật là một vấn đề quan trọng trong hệ thống nhà thông minh. Việc bảo vệ thông tin cá nhân và ngăn chặn các cuộc tấn công mạng là điều cần thiết để đảm bảo an toàn cho người dùng.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Nhà Thông Minh Hiệu Quả

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 thiết bị phù hợp và xây dựng một kiến trúc hệ thống hợp lý là rất quan trọng.

3.1. Lựa Chọn Thiết Bị Thông Minh Phù Hợp

Việc lựa chọn thiết bị thông minh cần dựa trên nhu cầu sử dụng và khả năng tương thích với hệ thống. Các thiết bị như cảm biến, camera an ninh và bộ điều khiển cần được xem xét kỹ lưỡng.

3.2. Xây Dựng Kiến Trúc Hệ Thống

Kiến trúc hệ thống cần được thiết kế sao cho dễ dàng mở rộng và bảo trì. Việc sử dụng các giao thức giao tiếp tiêu chuẩn sẽ giúp tăng cường khả năng tương tác giữa các thiết bị.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Thống Nhà Thông Minh

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

4.1. Quản Lý Năng Lượng Hiệu Quả

Hệ thống nhà thông minh có thể giúp theo dõi và quản lý mức tiêu thụ năng lượng, từ đó giảm thiểu chi phí điện năng. Các thiết bị như bộ điều khiển ánh sáng và cảm biến nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc này.

4.2. Tăng Cường An Ninh Cho Ngôi Nhà

Các thiết bị an ninh thông minh như camera và cảm biến chuyển động giúp người dùng giám sát ngôi nhà từ xa. Điều này không chỉ tăng cường an ninh mà còn mang lại sự yên tâm cho người sử dụng.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Hệ Thống Nhà Thông Minh

Hệ thống nhà thông minh đang phát triển mạnh mẽ và hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến trong tương lai. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ sẽ giúp nâng cao hiệu quả và tính năng của các hệ thống này.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ Nhà Thông Minh

Công nghệ nhà thông minh sẽ tiếp tục phát triển với sự xuất hiện của các thiết bị mới và cải tiến. Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy sẽ giúp hệ thống trở nên thông minh hơn.

5.2. Tác Động Đến Cuộc Sống Hàng Ngày

Hệ thống nhà thông minh không chỉ cải thiện tiện nghi mà còn thay đổi cách con người tương tác với không gian sống. Điều này sẽ tạo ra một môi trường sống an toàn và hiệu quả hơn cho mọi người.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ thông tin và truyền thông phát triển mạnh mẽ, việc ứng dụng các giải pháp nhà thông minh dựa trên nền tảng Internet vạn vật (IoT) đang trở thành xu hướng tất yếu nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống, tiện nghi và bảo đảm an toàn cho không gian sinh hoạt của con người. Tuy nhiên, việc phát triển và triển khai một hệ thống nhà thông minh trong thực tế phải đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật:

• Vấn đề tích hợp giữa hiệu năng vận hành và bảo mật thông tin người dùng khi kết nối các thiết bị chiếu sáng, hệ thống giám sát và cửa ra vào.
• Tính bất đồng bộ và sự thiếu tương thích giữa các chuẩn giao tiếp phần cứng từ nhiều nhà sản xuất khác nhau, làm gia tăng độ phức tạp trong khâu lắp đặt và quản lý.
• Độ trễ truyền thông, nguy cơ gián đoạn giám sát khi kết nối mạng Internet hoặc Wi-Fi gặp sự cố kỹ thuật.
• Yêu cầu kiểm soát mức độ tiêu thụ điện năng và đảm bảo an toàn điện trong gia đình.

Nhằm giải quyết các thách thức trên, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã đặt ra các mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Thiết kế và chế tạo mô hình phần cứng giám sát, điều khiển thiết bị gia dụng đa phương thức thông qua ứng dụng di động (Blynk App), giao diện web (Blynk Dashboard), tin nhắn SMS/cuộc gọi qua mạng di động GSM và hệ thống nút nhấn vật lý.
2. Tích hợp hệ thống cảm biến môi trường để đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí gas và cường độ ánh sáng; tự động cảnh báo các sự cố nguy hiểm như hỏa hoạn, rò rỉ khí gas hoặc rò rỉ điện ở bình nước nóng.
3. Triển khai cơ chế đóng/mở cửa an ninh tự động sử dụng thẻ từ nhận dạng tần số vô tuyến (RFID).
4. Đo lường và giám sát công suất tiêu thụ điện của thiết bị theo thời gian thực, đồng thời tự động điều khiển đèn chiếu sáng ngoại thất theo ánh sáng môi trường.
5. Cung cấp kênh cảnh báo dự phòng qua mạng di động khi hệ thống mất kết nối mạng Internet.

Đối tượng nghiên cứu:

• Phần cứng điều khiển trung tâm: Vi điều khiển ESP32-WROOM-32 và bo mạch Arduino Uno R3.
• Các module chức năng và cảm biến: Module đo điện năng PZEM-004T V2, module truyền thông SIM800L V2, đầu đọc thẻ RFID RC522, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11, cảm biến khí gas/cồn MQ3, cảm biến quang trở LDR, module relay cách ly quang (opto), động cơ servo SG90, mạch giảm áp DC-DC XL4015 5A và màn hình LCD 20x4 giao tiếp I2C.
• Nền tảng phần mềm: Nền tảng đám mây Blynk IoT (Blynk App, Blynk Dashboard) và môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE.

Phạm vi nghiên cứu:

• Giới hạn điều khiển bật/tắt trên các thiết bị điện gia dụng công suất thấp và mô hình tải điện mô phỏng (quạt, đèn chiếu sáng, bình nước nóng, điều hòa không khí).
• Phạm vi thực nghiệm phần cứng và kiểm thử thuật toán được thực hiện trong khoảng thời gian từ ngày 03/09/2023 đến ngày 08/01/2024 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và kiến trúc hệ thống

Hệ thống được xây dựng dựa trên mô hình kiến trúc IoT 4 tầng tiêu chuẩn:

1. Tầng thu nhận/cảm nhận (Perception/Sensing Layer): Bao gồm các đầu dò cảm biến (DHT11, MQ3, LDR, PZEM-004T, RC522) và cơ cấu chấp hành (relay, servo SG90, còi báo, đèn LED), đóng vai trò cầu nối thu thập dữ liệu vật lý và thực thi lệnh.
2. Tầng mạng (Network Layer): Hệ thống truyền dẫn dữ liệu sử dụng kết nối Wi-Fi tích hợp trên ESP32 để gửi dữ liệu lên máy chủ đám mây, kết hợp hạ tầng mạng di động GSM (Global System for Mobile Communication) qua băng tần 900/1800 MHz của module SIM800L V2.
3. Tầng xử lý (Processing Layer): Phân tích, tiền xử lý và ra quyết định cục bộ tại vi điều khiển ESP32 và Arduino Uno R3 trước khi truyền thông tin lên trung tâm dữ liệu.
4. Tầng ứng dụng (Application Layer): Giao diện tương tác người dùng trên ứng dụng di động Blynk App và giao diện quản trị Blynk Dashboard.

Các giao thức truyền thông phần cứng

• Giao thức SPI (Serial Peripheral Interface): Chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ 4 dây (SDO/MOSI, SDI/MISO, SCLK, CS/SS) hoạt động theo cơ chế Master-Slave với thanh ghi dịch 8-bit, được sử dụng để giao tiếp giữa vi điều khiển và module đọc thẻ RFID RC522.
• Giao thức UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): Chuẩn giao tiếp nối tiếp không đồng bộ truyền dữ liệu theo định dạng gói tin (Start bit, Data frame từ 5 đến 9 bit, Parity bit kiểm tra chẵn lẻ và Stop bit), ứng dụng trong truyền nhận lệnh giữa Arduino Uno R3 với module SIM800L V2 và giữa ESP32 với module PZEM-004T.
• Giao thức I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao tiếp nối tiếp đồng bộ 2 dây gồm đường dữ liệu SDA (Serial Data) và đường xung nhịp SCL (Serial Clock) với cơ chế định địa chỉ 7/10-bit và bit phản hồi ACK/NACK, dùng để kết nối màn hình LCD 20x4 với vi điều khiển nhằm tiết kiệm chân GPIO.
• Dịch vụ tin nhắn ngắn SMS trong mạng GSM: Giao thức truyền thông văn bản sử dụng cấu trúc khối dữ liệu giao thức PDU (Protocol Description Units) với chuẩn mã hóa GSM-7 (tối đa 160 ký tự) hoặc mã hóa UCS-2 (tối đa 70 ký tự khi có ký tự đặc biệt/Unicode).

Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Nghiên cứu tài liệu chuyên khảo về chuẩn giao tiếp vi điều khiển, mạng cảm biến không dây và kiến trúc hệ thống nhúng.
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Tính toán tải dòng điện, thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý mạch điện tử và layout mạch in (PCB) bằng phần mềm chuyên dụng.
• Phương pháp thực nghiệm: Lập trình nhúng trên Arduino IDE, xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển, tích hợp phần cứng thành mô hình hoàn chỉnh và chạy thử nghiệm đo đạc các thông số đáp ứng trong các điều kiện môi trường khác nhau.

---

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc phân tầng phần cứng

Hệ thống áp dụng giải pháp thiết kế sử dụng hai vi điều khiển (Dual-MCU) nhằm phân tải xử lý và tăng độ tin cậy:

• Vi điều khiển chính (Primary Microcontroller - ESP32-WROOM-32): Sử dụng chip ESP32-D0WDQ6 (2 nhân CPU, tần số xung nhịp cấu hình từ 80MHz đến 240MHz, 29 chân GPIO khả dụng, hỗ trợ Wi-Fi và BLE). ESP32 chịu trách nhiệm đọc dữ liệu từ các cảm biến môi trường (DHT11, MQ3, LDR), nhận dữ liệu đo điện năng từ PZEM-004T V2 qua UART, giao tiếp với máy chủ Blynk qua Wi-Fi và xuất tín hiệu điều khiển khối Relay 5V.
• Vi điều khiển phụ (Secondary Microcontroller - Arduino Uno R3): Sử dụng vi điều khiển ATmega328P, chuyên trách xử lý khối an ninh, giao tiếp với đầu đọc thẻ RFID RC522 để điều khiển động cơ servo SG90 mở khóa cửa, và điều khiển module SIM800L V2 để thực hiện gọi điện/nhắn tin SMS cảnh báo khẩn cấp.

Ma trận đánh giá và lựa chọn linh kiện

Khối chức năng	Linh kiện được chọn	Linh kiện so sánh	Lý do lựa chọn theo yêu cầu thiết kế
Vi điều khiển chính	ESP32	ESP8266	29 chân GPIO (so với 17 chân của ESP8266), băng thông 40MHz, tốc độ truyền dữ liệu nhanh, tích hợp cả Wi-Fi và Bluetooth.
Bộ hiển thị	LCD 20x4 (Text 2004)	LCD 1602	Kích thước hiển thị lớn (80 x 36 x 12.5 mm), hiển thị đồng thời nhiều tham số hệ thống qua giao tiếp I2C.
Khối Relay	Relay Opto High/Low	Relay Modbus RTU RS485	Điện áp điều khiển 5VDC tương thích mạch logic, tải đóng cắt đạt 250VAC-10A / 30VDC-10A, chi phí thấp (20.000đ).
Khối nguồn chính	Nguồn tổ ong 5V	Khối pin Lithium 3.7V	Cung cấp điện áp ổn định 5VDC liên tục, không bị giới hạn thời gian hoạt động như nguồn pin.
Module GSM/GPRS	SIM800L V2	SIM700A	Kích thước nhỏ gọn (25 x 22 mm so với 27 x 32 mm), tích hợp mạch chuyển đổi mức logic và ổn áp 5V.
Cảm biến nhiệt/ẩm	DHT11	DHT21	Dải đo 0–80°C, sai số dưới 5%, đáp ứng yêu cầu đo đạc cơ bản với chi phí tối ưu (25.000đ).
Cảm biến khí gas	MQ3	MQ2	Điện áp hoạt động 5VDC, dải phát hiện 0.04–4mg/L, sai số 3% (< 5%), chi phí 25.000đ.

Thiết kế khối nguồn và an toàn điện

• Nguồn cấp: Sử dụng nguồn tổ ong 5VDC cấp trực tiếp cho ESP32 và các module cảm biến; đường nguồn 9VDC cấp cho bo mạch Arduino Uno R3.
• Mạch hạ áp và bảo vệ: Tích hợp module DC-DC XL4015 (5A) có biến trở điều chỉnh điện áp và dòng điện giới hạn, tích hợp IC op-amp so sánh đầu ra. Khi xảy ra hiện tượng chạm chập hoặc quá dòng, mạch tự động ngắt đầu ra và nhấp nháy đèn LED cảnh báo.
• Nguồn dự phòng (Backup Power): Cung cấp năng lượng tạm thời cho vi điều khiển phụ và khối an ninh khi hệ thống điện lưới chính bị ngắt.

Thông số kỹ thuật yêu cầu đo lường môi trường

Đại lượng đo	Đơn vị	Dải đo yêu cầu	Sai số cho phép	Độ chính xác	Thời gian đáp ứng
Nhiệt độ	°C	5°C – 100°C	< 2°C	95%	< 2 giây
Độ ẩm	%	20% – 90%	< 5%	95%	< 2 giây
Khí Gas	%	20% – 100%	< 5%	95%	< 2 giây
Cường độ sáng	%	0% – 100%	< 15%	90%	< 5 giây

Thuật toán và quy trình xử lý

1. Quy trình giám sát nhiệt độ và khí gas:
   • Nhiệt độ bình thường duy trì từ 20°C đến 28°C, độ ẩm từ 40% đến 70%. Khi nhiệt độ vượt ngưỡng 100°C, hệ thống lập tức gửi cảnh báo cháy khẩn cấp về ứng dụng và kích hoạt hệ thống dập lửa.
   • Nồng độ khí gas bình thường từ 20% đến 40% (quạt thông gió tắt). Khi nồng độ khí gas tăng đột ngột vượt 65%, hệ thống phát tín hiệu cảnh báo rò rỉ nghiêm trọng.
2. Quy trình tự động hóa chiếu sáng:
   • Cường độ ánh sáng từ 50% đến 100% (trời sáng): Đèn ban công và sân vườn tự động tắt.
   • Cường độ ánh sáng giảm xuống từ 0% đến 19% (trời tối): Đèn tự động kích hoạt bật sáng.
3. Quy trình giám sát điện năng và an toàn thiết bị:
   • Module PZEM-004T V2 đo dòng điện, điện áp và tính toán công suất tiêu thụ định kỳ 10 giây/lần theo công thức: $$A = P \times t$$ (trong đó: $A$ là điện năng tiêu thụ tính bằng kWh, $P$ là công suất tính bằng kW, $t$ là thời gian sử dụng tính bằng giờ).
   • Giám sát dòng điện của bình nước nóng: Nếu phát hiện dòng điện vượt ngưỡng định mức cho phép, hệ thống xác định có hiện tượng rò điện và lập tức gửi tín hiệu ngắt relay kết hợp báo động an ninh.
   • Kiểm tra trạng thái cửa sổ khi điều hòa đang hoạt động để cảnh báo thất thoát nhiệt.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài trong xu thế phát triển nhà thông minh hiện đại. Tác giả phân tích các bài toán thực tiễn về an ninh, tính tương thích thiết bị, độ ổn định của đường truyền và quản lý năng lượng. Chương này xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống, đối tượng nghiên cứu (ESP32, Arduino Uno, SIM800L, PZEM-004T, các cảm biến), phạm vi thực hiện trên thiết bị gia dụng công suất thấp và phương pháp tiếp cận gồm 7 nội dung công việc từ nghiên cứu lý thuyết, thiết kế phần cứng, lập trình điều khiển đến chạy thử nghiệm và viết báo cáo.

Chapter 2: Literature Review

Chương 2 tập trung tổng quan cơ sở lý thuyết và các nghiên cứu liên quan về IoT. Nội dung trình bày chi tiết kiến trúc IoT 4 tầng (Cảm nhận, Mạng, Xử lý, Ứng dụng) và nguyên lý hoạt động sâu của các giao thức truyền thông nối tiếp:

• Chuẩn giao tiếp SPI với giản đồ xung nhịp theo hai chế độ pha phân cực $CPOL$ và $CPHA$.
• Chuẩn UART với cấu trúc khung dữ liệu và cơ chế kiểm tra lỗi bit chẵn lẻ (Parity).
• Chuẩn I2C với điều kiện Start/Stop, khung địa chỉ và phản hồi ACK/NACK.
• Cấu trúc mạng GSM và hệ thống tin nhắn SMS (giao thức PDU, định dạng mã hóa GSM-7 và UCS-2). Ngoài ra, chương này khảo cứu thông số kỹ thuật chi tiết của các phần cứng sử dụng: chip ESP32-WROOM-32, bo mạch Arduino Uno R3, cảm biến DHT11, cảm biến cồn/gas MQ3, module SIM800L V2, đầu đọc RFID RC522 (dùng chip NXP MFRC522), module đo điện năng PZEM-004T, module relay 5V, LCD 20x4, động cơ servo SG90, mạch giảm áp XL4015 5A và module cảm biến quang trở LDR.

Chapter 3: System Design and Implementation

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế kỹ thuật từ yêu cầu chức năng đến triển khai phần cứng và phần mềm:

• Phân tích chi tiết nhu cầu người dùng và bảng thông số kỹ thuật môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, gas, ánh sáng).
• Xây dựng sơ đồ khối tổng thể gồm 11 khối chức năng: Khối vi điều khiển chính, khối vi điều khiển phụ, khối nguồn, khối an ninh, khối đầu ra, khối module SIM, khối nguồn dự phòng, khối relay, khối cảm biến, khối nút nhấn, khối giám sát hoạt động thiết bị và khối hiển thị.
• Thiết lập bảng tiêu chí đánh giá, so sánh để lựa chọn linh kiện tối ưu cho từng khối.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý, vẽ mạch in PCB và mô phỏng 3D.
• Xây dựng các lưu đồ thuật toán chi tiết: Thuật toán vi điều khiển chính (ESP32), chương trình con đọc cảm biến ngõ vào, chương trình con giám sát hoạt động điều hòa, thuật toán vi điều khiển phụ (Arduino Uno R3), chương trình con quét thẻ RFID và chương trình con truyền nhận qua module SIM.

Chapter 4: Results, Observations, and Evaluations

Chương 4 công bố kết quả hiện thực hóa phần cứng và phần mềm của đồ án:

• Chế tạo hoàn chỉnh hộp điều khiển thiết bị (device control box) và mô hình nhà thông minh vật lý.
• Kiểm nghiệm hoạt động của giao diện Blynk App và Blynk Dashboard với khả năng đồng bộ trạng thái thực tế.
• Kiểm tra tính năng tự động bật/tắt đèn chiếu sáng ngoài trời theo giá trị cảm biến LDR.
• Kiểm thử chức năng quét thẻ RFID RC522 điều khiển góc quay servo SG90 để đóng mở cửa.
• Kiểm tra hiển thị các thông số môi trường, thời gian và trạng thái thiết bị trên màn hình LCD 20x4.
• Kiểm tra khả năng điều khiển thiết bị và gửi cảnh báo khẩn cấp bằng tin nhắn SMS thông qua module SIM800L V2.
• Ghi nhận đồ thị tiêu thụ điện năng của thiết bị theo thời gian thực trên giao diện ứng dụng.

Chapter 5: Conclusion and Future Developments

Chương cuối tổng kết toàn bộ quá trình thực hiện đồ án, khẳng định hệ thống đã đáp ứng các mục tiêu đề ra về giám sát, điều khiển và cảnh báo an toàn. Tác giả thẳng thắn chỉ ra những mặt đạt được cũng như các hạn chế về mặt hoàn thiện phần cứng, độ ổn định đường truyền khi mất mạng và đề xuất các phương hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

• Chế tạo thành công mô hình phần cứng: Hoàn thiện mô hình nhà thông minh và hộp điều khiển tích hợp đầy đủ hai vi điều khiển ESP32 và Arduino Uno R3 cùng các mạch công suất, cảm biến.
• Đa dạng hóa phương thức điều khiển: Cho phép người dùng điều khiển thiết bị qua nút nhấn vật lý, ứng dụng di động Blynk, giao diện Web Dashboard, và điều khiển từ xa qua tin nhắn SMS khi không có kết nối Internet.
• Tự động hóa theo dữ liệu cảm biến: Hệ thống tự động kích hoạt đèn khi trời tối (ánh sáng dưới 19%) và tắt khi trời sáng (ánh sáng trên 50%); tự động gửi cảnh báo khi nhiệt độ đạt 100°C hoặc nồng độ khí gas vượt 65%.
• Giám sát điện năng tiêu thụ: Đo lường chính xác các thông số điện áp, dòng điện, công suất và hiển thị đồ thị tiêu thụ năng lượng theo chu kỳ cập nhật 10 giây/lần.
• Kiểm soát an ninh ra vào: Vận hành trơn tru cơ chế nhận diện thẻ từ RFID RC522 để kích hoạt động cơ servo đóng mở cửa.

Đóng góp của đề tài

• Đề xuất mô hình kết nối liên thực thể hiệu quả dựa trên kiến trúc phân chia nhiệm vụ giữa hai vi điều khiển (ESP32 phụ trách kết nối mạng và tính toán, Arduino Uno R3 phụ trách an ninh và viễn thông khẩn cấp).
• Xây dựng cơ chế an toàn kép: Kết hợp đồng thời giám sát qua đám mây Internet và kênh cảnh báo dự phòng độc lập qua sóng di động GSM/SMS, giải quyết được rủi ro mất liên lạc khi xảy ra sự cố mạng Wi-Fi.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế (theo đánh giá học thuật và văn bản)

Theo nhận xét của giảng viên hướng dẫn (PGS. TS. Phan Văn Ca) trong phiếu đánh giá:

• Phương pháp thiết kế và triển khai thực nghiệm còn bộc lộ hạn chế; chủ đề nghiên cứu còn trùng lặp với nhiều công trình đã có trong y văn học thuật.
• Mô hình nguyên mẫu phần cứng còn ở mức độ cơ bản (rather basic), cấu trúc bố cục và cách hành văn của báo cáo khóa luận chưa thật sự chặt chẽ và mạch lạc.
• Hệ thống vẫn chịu ảnh hưởng bởi độ trễ truyền thông của các chuẩn giao tiếp và giới hạn trong phạm vi đóng cắt thiết bị công suất nhỏ.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Hoàn thiện cấu trúc phần mềm, tối ưu hóa độ trễ truyền thông giữa các tầng kiến trúc.
• Nâng cấp các module cảm biến có độ chính xác và dải đo cao hơn (như nâng cấp từ DHT11 lên DHT22/DHT21).
• Mở rộng khả năng điều khiển các thiết bị công suất lớn và hoàn thiện đóng gói công nghiệp cho hộp điều khiển.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Điện tử - Viễn thông và Công nghệ Thông tin: Tham khảo cách xây dựng hệ thống nhúng IoT thực tế kết hợp giữa ESP32, Arduino và nền tảng Blynk.
• Người nghiên cứu các giải pháp nhà thông minh giá thành thấp: Cung cấp ma trận so sánh, lựa chọn linh kiện điện tử chi tiết (giá cả, thông số kỹ thuật) và các sơ đồ nguyên lý mạch nguồn bảo vệ chống ngắn mạch với IC XL4015.
• Phần đáng tham khảo nhất: Sơ đồ phối ghép Dual-MCU (ESP32 - Arduino Uno), thuật toán tích hợp module PZEM-004T để theo dõi điện năng và giải pháp truyền thông dự phòng khẩn cấp qua module SIM800L V2.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống xử lý như thế nào khi mất kết nối mạng Wi-Fi hoặc Internet?

Khi mất kết nối Wi-Fi/Internet, khả năng giám sát qua ứng dụng Blynk bị gián đoạn. Tuy nhiên, hệ thống vẫn duy trì hoạt động cục bộ thông qua các nút nhấn vật lý, thẻ từ RFID, và đặc biệt là module SIM800L V2 sẽ tự động kích hoạt kênh truyền thông qua mạng di động GSM để gửi tin nhắn SMS hoặc thực hiện cuộc gọi khẩn cấp đến số điện thoại của chủ nhà khi có sự cố cháy nổ, rò rỉ khí gas hoặc rò điện.

2. Vì sao đồ án sử dụng kết hợp hai vi điều khiển ESP32 và Arduino Uno R3 thay vì một vi điều khiển duy nhất?

Việc sử dụng mô hình Dual-MCU nhằm phân tải nhiệm vụ rõ ràng: ESP32 đảm nhận các tác vụ đòi hỏi tốc độ xử lý cao, kết nối mạng Wi-Fi, đọc dữ liệu cảm biến môi trường và tính toán điện năng từ PZEM-004T; trong khi Arduino Uno R3 chuyên trách khối an ninh độc lập (quét thẻ RFID RC522, điều khiển servo SG90) và giao tiếp UART với module SIM800L V2, giúp hệ thống không bị nghẽn luồng xử lý và đảm bảo an ninh hoạt động ổn định kể cả khi ESP32 đang bận truyền dữ liệu đám mây.

3. Module PZEM-004T được sử dụng để giám sát điện năng theo cơ chế nào?

Module PZEM-004T V2 sử dụng một cuộn cảm biến dòng (CT) mắc vào dây pha nóng của nguồn điện AC để đo điện áp, cường độ dòng điện và công suất tiêu thụ của thiết bị (mô phỏng máy điều hòa). Dữ liệu được gửi qua cổng nối tiếp cách ly quang về ESP32, sau đó cập nhật 10 giây một lần lên cơ sở dữ liệu để tính toán tổng điện năng tiêu thụ theo công thức $A = P \times t$.

4. Các ngưỡng thông số môi trường nào được cài đặt để kích hoạt cảnh báo khẩn cấp?

Hệ thống thiết lập các ngưỡng kích hoạt cụ thể:

• Cảnh báo cháy: Kích hoạt gửi thông báo khẩn cấp lên ứng dụng và bật hệ thống chữa cháy khi nhiệt độ môi trường đo được từ cảm biến đạt ngưỡng 100°C.
• Cảnh báo rò rỉ khí gas: Kích hoạt cảnh báo rò rỉ nghiêm trọng khi nồng độ khí gas đo từ cảm biến MQ3 vượt quá 65%.
• Tự động chiếu sáng: Đèn tự động bật khi mức ánh sáng môi trường giảm xuống dưới 19% và tự động tắt khi ánh sáng đạt từ 50% đến 100%.

5. Kết quả đánh giá đồ án từ Hội đồng và Giảng viên hướng dẫn như thế nào?

Theo phiếu đánh giá của Giảng viên hướng dẫn (PGS. TS. Phan Văn Ca), đồ án được đánh giá đạt loại Khá/Tốt (Good) với điểm số 8.0 (Eight dot Zero) và được phê duyệt bảo vệ trước hội đồng. Đồ án được ghi nhận điểm mạnh ở mô hình hệ thống hợp lý, minh họa rõ nét tính kết nối và truyền thông giữa các thực thể IoT; tuy nhiên còn điểm yếu về phương pháp thiết kế, tính nguyên mẫu cơ bản và cách trình bày báo cáo.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và Triển khai Hệ thống Nhà Thông minh" của sinh viên Lê Bá Minh Đạt và Nguyễn Văn Quang Huy (ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) đã xây dựng thành công mô hình phần cứng và phần mềm IoT hoàn chỉnh. Hệ thống đáp ứng tốt các yêu cầu về điều khiển thiết bị đa phương thức, giám sát môi trường, cảnh báo sự cố rò điện/khí gas và theo dõi điện năng tiêu thụ theo thời gian thực. Dù còn một số hạn chế về mặt phương pháp thiết kế và tính sơ khai của nguyên mẫu phần cứng, công trình mang lại giá trị thực tiễn cao và là tài liệu tham khảo bổ ích cho sinh viên cùng khối ngành kỹ thuật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION PROJECT COMPUTER ENGINEERING TECHNOLOGY DESIGN AND IMPLEMENTATION OF SMART HOME SYSTEM LECTURER: PHAN VAN CA STUDENT: LE BA MINH DAT NGUYEN VAN QUANG HUY SKL012538 Ho Chi Minh City, January 2024 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION GRADUATION PROJECT DESIGN AND IMPLEMENTATION OF SMART HOME SYSTEM LÊ BÁ MINH ĐẠT Student ID: 19119040 NGUYỄN VĂN QUANG HUY Student ID: 19119030 Major: COMPUTER ENGINEERING TECHNOLOGY Advisor: PHAN VĂN CA, Associate Professor Ph.D Ho Chi Minh City, January 2024 THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, January 9, 2024 GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT Student name: Lê Bá Minh Đạt Student ID: 19119040 Student name: Nguyễn Văn Quang Huy Student ID: 19119030 Major: Computer Engineering Technology Class: 19119CLA Advisor: Assoc.D Phan Văn Ca Phone number: 0902994358 Date of assignment: September 3rd, 2023 Date of submission: January 8th, 2024 1. Project title: Design and implementation of smart home system. Initial materials provided by the advisor: Documents such as paper about application of smart home IoT. Content of the project: ▪ Analyze the challenges of the project.

Learn about the technical specifications, guiding thought and theoretical basis of the components of the hardware. ▪ Propose the model and summarize the overall system. Design block diagram, principle diagram. System configuration and design hardware.

▪ Test run, check, evaluate and adjust. ▪ Conduct report writing. Final product: Smart home model, device control and monitoring box, system control software, final report, demo video. CHAIR OF THE PROGRAM ADVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) Phan Văn Ca i THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, January 9, 2024 ADVISOR’S EVALUATION SHEET Student name: Lê Bá Minh Đạt Student ID: 19119040 Student name: Nguyễn Văn Quang Huy Student ID: 19119030 Major: Computer Engineering Technology Project title: Design and implementation of smart home system Advisor: Assoc.D Phan Văn Ca EVALUATION 1.

Content of the project: ▪ Analyze the challenges of the project. Learn about the technical specifications, guiding thought and theoretical basis of the components of the hardware. ▪ Propose the model and summarize the overall system. Design block diagram, principle diagram.

System configuration and design hardware. ▪ Test run, check, evaluate and adjust. ▪ Conduct report writing 2. Strengths: The system model proposed in the thesis makes sense.

Although the prototype implemented is rather basic, it still illustrates the characteristics of the platform framework: connectivity and communication between entities in a smart home. Weaknesses: The weakness of the thesis is the design and implementation methodology. Many similar works exist in the literature. The thesis is not well organized and written.

Approval for oral defense? (Approved or denied) Approved 5. Overall evaluation: (Excellent, Good, Fair, Poor) Good 6. Eight dot Zero) Ho Chi Minh City, January 09, 2024 ADVISOR (Sign with full name) Phan Văn Ca ii THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, January 9, 2023 PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET Student name: Lê Bá Minh Đạt Student ID: 19119040 Student name: Nguyễn Văn Quang Huy Student ID: 19119030 Major: Computer Engineering Technology Project title: Design and implementation of smart home system Name of Reviewer: Assoc.D Phan Văn Ca EVALUATION 1. Content and workload of the project ▪ Analyze the challenges of the project.

Learn about the technical specifications, guiding thought and theoretical basis of the components of the hardware. ▪ Propose the model and summarize the overall system. Design block diagram, principle diagram. System configuration and design hardware.

▪ Test run, check, evaluate and adjust. ▪ Conduct report writing. Approval for oral defense? (Approved or denied) .) Ho Chi Minh City, January…, 2024 REVIEWER (Sign with full name) iii THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, January 9, 2023 EVALUATION SHEET OF DEFENSE COMMITTEE MEMBER Student name: Lê Bá Minh Đạt Student ID: 19119040 Student name: Nguyễn Văn Quang Huy Student ID: 19119030 Major:Computer Engineering Technology Project title: Design and implementation of smart home system Advisor: Assoc.D Phan Văn Ca EVALUATION 1. Content and workload of the project ▪ Analyze the challenges of the project.

Learn about the technical specifications, guiding thought and theoretical basis of the components of the hardware. ▪ Propose the model and summarize the overall system. Design block diagram, principle diagram. System configuration and design hardware.

▪ Test run, check, evaluate and adjust. ▪ Conduct report writing.) Ho Chi Minh City, January…, 2024 COMMITTEE MEMBER (Sign with full name) iv DISCLAIMER This is the final report, "Design and implementation of a smart home system," we proclaim. The study findings are accurate, and they were completed totally under the supervision of the teacher, Assoc.D PHAN VAN CA. The report also does not replicate any other sources.

In addition, the document provides a number of referenced and labeled reference resources. I would want to completely assume responsibility for this pledge in front of the department, teachers, and school. Student LE BA MINH DAT NGUYEN VAN QUANG HUY v ACKNOWLEDGEMENTS First, we would like to express our heartfelt appreciation to the School Board of the Ho Chi Minh City University of Technology and Education, as well as the Faculty for High Quality Training, for creating ideal circumstances for me to pursue our project. Furthermore, we would like to express our heartfelt gratitude to the Assoc.

Phan Van Ca, who constantly monitors the learning environment and supports and develops growth chances for each generation of students. However, while having limited time and skills to accomplish this graduation project, the group still had several flaws when learning and presenting the project. Students want professors to provide comments so that the group's project may be finished and enhanced in the future. The contributions of the professors will assist the group obtain more information in their future studies and research.

Finally, the project implementation team wishes the instructors good health, as well as continued success in their noble vocations. Many thanks for all your help and regards. Student LE BA MINH DAT NGUYEN VAN QUANG HUY vi TABLE OF CONTENTS GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT .i ADVISOR’S EVALUATION SHEET .ii PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET. iii EVALUATION SHEET OF DEFENSE COMMITTEE MEMBER .vi TABLE OF CONTENTS .vii LIST OF FIGURES.

x LIST OF TABLES.xii LIST OF ABBREVIATIONS. xiv CHAPTER 1: INTRODUCTION. Object and Scope of the study. Object of the study.

Scope of the study. 3 CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW. Internet of Thing. IoT systems structure.

SPI operating principle. UART operating principle. DHT11 temperature and humidity sensor. MQ3 alcohol gas sensor module.

Global System for Mobile communication. Short messaging Service. Introduces the SIM800L V2 module. RC522 Module RFID Reader.

Energy Meter Module PZEM-004T. 20x4 Character LCD Display. Servo Motor SG90. DC-DC XL4015 5A power module.

LDR Sensor Module. 24 CHAPTER 3: SYSTEM DESIGN AND IMPLEMENTATION. System model of a smart home. Block diagram and functions of each block.

Packaging and model construction. Smart Home control interface on Blynk App and Blynk Dashboard. 53 CHAPTER 4: RESULTS, OBSERVATIONS, AND EVALUATIONS. 55 CHAPTER 5: CONCLUSION AND FUTURE DEVELOPMENTS.

65 ix LIST OF FIGURES Figure 2. Internet of Things. IoT System Structure. The SPI communication model.

The clock diagrams for SPI with CPHA=0 and CPHA=1. UART communication standard. Transmitted in the form of packets of I2C. ESP-WROOM-32 microchip.

DHT11 temperature and humidity sensor module. MQ3 alcohol gas sensor module. Global System for mobile (GSM) network. SIM800L V2 5V Wireless GSM GPRS module.

RC522 RFID Reader with Cards Kit. Energy Meter Module PZEM-004T. 20x4 Character LCD Display. Servo Motor Pinout (Wires).

XL4015 DC-DC Voltage Regulator. LDR Sensor Module (Light Dependent Resistor). The overall scheme of the Smart Home system. Block diagram of Smart Home system.

Principle diagram of the system model. Printed circuit board of hardware. 3D simulation printed circuit. Arduino IDE Interface.

Operating model of Blynk IOT. Secondary microcontroller algorithm flow chart. Algorithm flow chart of subroutine "read RFID tag". Algorithm flow chart of transmit and receive SIM.

Algorithm flow chart of Primary microcontroller. Algorithm flow chart of subroutine “read input sensors”. Algorithm flow chart of subroutine “monitor air conditioner operation”. Blynk App & Blynk Dashboard.

The device control box. Outside lights operate in auto mode. Scan RFID card. Displays parameters on LCD.

Control the device via SIM module. Graph of electricity consumption over time. 59 xi LIST OF TABLES Table 3. Environmental Parameters Measured: Humidity, Temperature, Gas Levels.

Evaluating and choosing devices for primary microcontroller. Evaluating and choosing devices for display unit. Evaluating and choosing devices for relay. Evaluating and choosing devices for power supply.

Evaluating and choosing devices for module sim. Evaluating and choosing devices for temperature & humidity sensor. Evaluating and choosing devices for gas sensor. Evaluating and choosing devices for secondary microcontroller.

Evaluating and choosing devices for security. Evaluating and choosing devices for servo motor. Evaluating and choosing devices for device activity monitoring. Total current used in the circuit (ESP32).

Total current used in the circuit (Arduino Uno R3). List the components used. 59 xii LIST OF ABBREVIATIONS ABBREVIATIONS MEANING 1 IoT Internet of Things 2 GPIO General Purpose Input/Output 3 HTTP Hypertext Transfer Protocol 4 I2C Inter-Integrated Circuit 5 ID Identification 6 IT Information Technology 7 LCD Liquid Crystal Display 8 LED Light Emitting Diode 9 MISO Master In Slave Out 10 MOSI Master Out Slave In 11 IC Integrated Circuit 12 MCU Micro Controller Unit 13 WSN Wireless sensor network 14 WAN Wide-area network 15 SF Spreading Factor 16 BW Bandwidth 17 CR Coding Rate 18 DC Direct Current 19 AC Alternating Current 20 RFID Radio-Frequency Identification 21 RX Receive 22 SCK Serial Clock 23 SCL Serial Clock 24 SDA Serial Data 25 SPI Serial Peripheral Interface 26 TX Transmit 27 UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter 28 IDE Integrated Development Environment xiii ABSTRACT The incorporation of intelligent systems into homes has emerged as a clear trend in the contemporary era, as technology progressively becomes a fundamental aspect of our lives. Research on Smart Home IoT not only explores the potential for offering clever and convenient solutions for daily life but also prompts thought-provoking inquiries about human-machine interaction, safety, and the trajectory of smart living in the future.

Our project aims to create and implement a smart home system. This not only unlocks possibilities for intelligent and pragmatic solutions in daily living but also prompts engaging considerations about human-machine interaction, security, and the future of smart living. Moreover, the project serves as an opportunity to cultivate and enhance diverse skills, ranging from programming to data management and IoT devices. Therefore, it is a journey that not only supports personal growth but also makes a positive contribution to the increasingly innovative and diverse field of information technology.

xiv CHAPTER 1: INTRODUCTION The first chapter explains the project overview, the project's research object, the project methodology, and the project goals in addition to the basic goal behind smart home system. In addition, the layout of the entire report is presented below. Introduction Applying information and communication technology to the house is becoming more and more of a trend in today's environment of ever-more-modern living, as well as a full answer to the demands of comfortable and secure living [1]. However, a lot of problems need to be fixed in order to maximize this smart living area.

Integrating security and performance in an Internet of Things (IoT)-based smart home system is one of the main problems.