Ứng dụng IoT trong việc giám sát trạng thái và điều khiển tủ điện

Đồ án ứng dụng IoT trong giám sát trạng thái và điều khiển tủ điện - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Huỳnh Hiệp Phát
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Đình Phú
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện - Điện tử
• Đề tài: Ứng dụng IoT trong việc giám sát trạng thái và điều khiển tủ điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan ứng dụng IoT giám sát trạng thái và điều khiển tủ điện

Hệ thống tủ điện đóng vai trò huyết mạch trong mạng lưới phân phối năng lượng công nghiệp và dân dụng. Việc quản trị thủ công truyền thống bộc lộ nhiều điểm nghẽn về độ an toàn lẫn tính kịp thời. Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đặt trọng tâm vào việc chuyển đổi số mô hình này. Nhóm nghiên cứu thuộc ngành Công nghệ kỹ thuật Điện - Điện tử đã kiến tạo hệ thống giám sát và điều khiển tủ điện qua mạng Internet. Đề tài tích hợp linh hoạt phần cứng nhúng và dịch vụ đám mây thời gian thực. Kiến trúc hệ thống sử dụng vi điều khiển ESP32 làm trung tâm xử lý dữ liệu. Các module chuyên dụng đảm nhiệm nhiệm vụ đo lường thông số phụ tải và nhận diện bảo mật người thao tác. Mạng không dây WiFi giữ vai trò truyền dẫn toàn bộ tín hiệu về cơ sở dữ liệu Google Firebase. Ứng dụng di động lập trình trên nền tảng Android Studio cung cấp giao diện trực quan cho người quản lý. Hệ sinh thái này hỗ trợ quan sát trạng thái thiết bị liên tục. Đồ án tạo tiền đề vững chắc cho việc hiện đại hóa hạ tầng.

1.1. Khái niệm Internet of Things trong công nghiệp điện lực

Internet of Things kết nối vạn vật qua mạng viễn thông. Trong ngành kỹ thuật điện tử, IoT liên kết mạng lưới cảm biến trực tiếp với máy chủ. Dữ liệu từ thiết bị vật lý được thu thập tự động theo thời gian thực. Hệ thống chuyển đổi đại lượng tương tự sang định dạng số chuẩn xác. Kỹ thuật viên không cần tiếp cận trực tiếp khu vực nguy hiểm có điện áp cao. Toàn bộ thông tin dòng điện, điện áp và nhiệt độ hiển thị minh bạch trên bảng điều khiển số. Việc giám sát từ xa giúp cắt giảm chi phí nhân sự vận hành. Các thuật toán tự động hỗ trợ dự đoán hỏng hóc và lên lịch bảo dưỡng định kỳ. Nền tảng IoT đóng vai trò xương sống trong quá trình kiến tạo lưới điện thông minh.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đồ án tốt nghiệp tại ĐH SPKT

Đề tài hướng tới việc xây dựng mô hình tủ điện tích hợp công nghệ số tiên tiến. Mục tiêu cốt lõi là kiểm soát toàn diện thông số kỹ thuật điện AC thời gian thực. Hệ thống sử dụng bộ đo chuyên dụng kết hợp mạch đóng cắt công suất cao. Thiết bị tự động đồng bộ tham số đo đạc lên cơ sở dữ liệu đám mây. Người giám sát nhận diện cảnh báo sự cố ngay lập tức qua điện thoại thông minh. Ngoài ra, nghiên cứu tập trung nâng cấp cơ chế kiểm soát ra vào tủ điện. Giải pháp tích hợp thẻ RFID và đầu đọc vân tay sinh trắc học để loại bỏ rủi ro. Toàn bộ thiết kế đảm bảo tính tương thích cao và chi phí tối ưu.

II. Phân tích thực trạng quản lý và bảo vệ tủ điện tại ĐH SPKT TP

Thực tế vận hành tủ điện truyền thống tồn tại nhiều hạn chế kỹ thuật nghiêm trọng. Kỹ thuật viên thường ghi chép chỉ số tiêu thụ điện bằng phương pháp thủ công định kỳ. Cách tiếp cận này tạo độ trễ thông tin lớn và dễ phát sinh sai sót ghi chép. Khi hiện tượng quá dòng hoặc sụt áp diễn ra, hệ thống không thể đưa ra cảnh báo kịp thời. Thiết bị bảo vệ cơ khí truyền thống chỉ ngắt mạch khi sự cố đã diễn ra trên đường dây. Hậu quả dẫn tới nguy cơ chập cháy và làm gián đoạn nguồn cấp điện của các tòa nhà. Vấn đề an ninh vật lý tại các tủ điện cũng đòi hỏi sự thay đổi cấp bách. Tủ điện phân phối trong trường học và xưởng thực hành tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn cao. Việc dùng chìa khóa cơ truyền thống dễ bị làm giả hoặc thất lạc chìa. Nhân sự không có thẩm quyền vẫn có thể mở tủ, gây nguy hiểm đến tính mạng. Ngoài ra, việc thiếu hụt lịch sử truy cập gây khó khăn cho công tác điều tra nguyên nhân sự cố. Cơ chế vận hành phụ thuộc hoàn toàn vào con người gây lãng phí lớn về nhân lực. Những tồn tại đó đặt ra yêu cầu bức thiết về việc xây dựng giải pháp giám sát tự động.

2.1. Rủi ro vận hành tủ phân phối điện theo phương pháp thủ công

Phương pháp quản lý tủ điện truyền thống bộc lộ vô số điểm yếu nguy hại. Kỹ thuật viên phải có mặt tại trạm để quan sát đồng hồ kim đo điện. Môi trường làm việc xung quanh các thanh cái tiềm ẩn nhiều mối đe dọa phóng điện. Con người khó lòng duy trì tần suất theo dõi liên tục suốt ngày đêm. Khi đường cáp phát sinh tải vượt định mức, dây dẫn tăng nhiệt độ nhanh chóng. Sự cố chập mạch có thể phát hỏa trước khi người trực phát hiện bất thường. Bên cạnh đó, việc thống kê sản lượng điện hàng tháng bằng sổ sách tốn nhiều công sức. Dữ liệu rời rạc cản trở việc đánh giá chính xác hiệu suất năng lượng.

2.2. Thách thức bảo mật vật lý và phân quyền đóng cắt thiết bị

An ninh vật lý của tủ điện thường bị xem nhẹ trong khâu thiết kế. Khóa cơ khí đơn giản không thể ngăn chặn hành vi xâm nhập cố ý. Người không có chuyên môn khi tự ý bật tắt cầu dao dễ gây sự cố. Những can thiệp sai kỹ thuật có thể làm hỏng toàn bộ thiết bị phía sau. Hơn nữa, việc không lưu vết thời điểm mở cửa tủ gây bế tắc khi xảy ra tai nạn. Nhà quản lý không thể xác định đối tượng chịu trách nhiệm trực tiếp. Việc phân quyền đóng cắt nguồn điện theo ca kíp gặp nhiều rào cản phức tạp. Đây là lỗ hổng lớn cần giải quyết bằng công nghệ xác thực sinh trắc học.

III. Giải pháp IoT giám sát trạng thái và điều khiển tủ điện thông minh

Nhóm tác giả tại ĐH SPKT TP.HCM đề xuất mô hình phần cứng kết hợp phần mềm tối ưu. Trung tâm điều khiển tích hợp vi xử lý ESP32 tốc độ cao, hỗ trợ kết nối WiFi chuẩn. Mạch đo đa năng Peacefair PZEM-004T đảm nhiệm đo lường các đại lượng điện xoay chiều. Thiết bị dùng biến dòng cách ly an toàn, hỗ trợ dải đo điện áp từ 80 đến 260 VAC và dòng tải lên đến 100A. Dữ liệu truyền tới ESP32 thông qua giao tiếp UART với độ trễ thấp và độ chính xác cao. Hệ thống trang bị cơ chế bảo mật hai lớp gồm đầu đọc thẻ RC522 và cảm biến vân tay R502. Cảm biến R502 sở hữu độ phân giải 508 DPI, nhận diện nhanh chóng trong mọi điều kiện. Toàn bộ lệnh đóng cắt relay và thông số đo đạc được đồng bộ liên tục lên Google Firebase. Nhóm phát triển xây dựng ứng dụng di động trên Android Studio với giao diện trực quan. Màn hình hiển thị rõ ràng thông số điện áp, dòng điện, công suất và trạng thái rơ le. Người dùng nhận thông báo đẩy ngay khi chỉ số phụ tải vượt ngưỡng an toàn.

3.1. Thiết kế phần cứng với ESP32 module PZEM 004T và cảm biến R502

Phần cứng hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module đồng bộ. ESP32 giữ vai trò vi điều khiển chủ đạo xử lý thuật toán và giao tiếp mạng. Module Peacefair PZEM-004T đo lường chính xác các thông số AC gồm hiệu điện thế, cường độ dòng điện và công suất. Biến dòng CT 100A bảo đảm cách ly điện hoàn toàn giữa mạch công suất và mạch điều khiển. Cơ chế bảo vệ cửa tủ kết hợp module quét thẻ RFID RC522 cùng cảm biến vân tay R502. Khóa chốt điện từ chỉ kích hoạt khi thông tin người dùng trùng khớp trong hệ thống. Mạch điều khiển relay đa kênh chịu trách nhiệm thực thi lệnh đóng cắt tải an toàn.

3.2. Kiến trúc phần mềm đám mây Firebase và app Android Studio

Phần mềm hệ thống vận hành dựa trên kiến trúc IoT ba tầng linh hoạt. Tầng biên bao gồm chương trình nhúng nạp trên ESP32 qua công cụ Arduino IDE. Tầng trung gian sử dụng dịch vụ đám mây Google Firebase Realtime Database. Dữ liệu từ tủ điện được mã hóa và tải lên máy chủ với thời gian phản hồi miligiây. Tầng ứng dụng gồm app di động được lập trình bài bản trên Android Studio. Giao diện trực quan cập nhật liên tục biểu đồ công suất tiêu thụ điện. Người giám sát có thể chạm màn hình để ngắt relay tức thì khi cần. Mọi biến động đều kích hoạt tín hiệu cảnh báo khẩn cấp về điện thoại.

IV. Kết luận và triển vọng ứng dụng hệ thống tủ điện IoT tại ĐH SPKT

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã hiện thực hóa thành công mô hình tủ điện IoT thông minh. Sản phẩm hoàn thiện cả về cấu trúc cơ khí, bo mạch điện tử và giao diện phần mềm di động. Các kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Tủ điện ghi nhận nhanh chóng các biến động điện áp và ngắt tải an toàn khi phát sinh quá dòng. Tính năng xác thực kép bằng thẻ RFID và vân tay ngăn chặn triệt để các hành vi tiếp cận trái phép. Mô hình này sở hữu tiềm năng ứng dụng rất lớn trong hạ tầng giáo dục và công nghiệp. Tại các xưởng thực hành của ĐH SPKT TP.HCM, hệ thống hỗ trợ giảng viên kiểm soát tập trung nguồn cấp điện. Sinh viên thực hành được bảo vệ tối đa trước rủi ro rò rỉ điện. Đối với doanh nghiệp sản xuất, giải pháp giúp tối ưu hóa chi phí vận hành máy móc. Nghiên cứu mở ra hướng đi bền vững cho tự động hóa tòa nhà thông minh.

4.1. Đánh giá hiệu quả vận hành của mô hình thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm tại đồ án ghi nhận các thông số vận hành ấn tượng. Vi điều khiển ESP32 xử lý và truyền gói tin lên Firebase với độ trễ trung bình dưới một giây. Sai số đo lường của cảm biến Peacefair PZEM-004T dao động dưới 0.5%, đáp ứng tốt tiêu chuẩn kỹ thuật. Cơ chế mở cửa bằng thẻ từ RC522 và vân tay R502 hoạt động nhạy bén sau 0.2 giây. Quá trình kiểm thử tải liên tục chứng minh các rơ le hoạt động bền bỉ, không sinh nhiệt dư thừa. Kết quả này khẳng định tính ổn định vượt trội của cấu trúc phần cứng. Hệ thống loại bỏ nguy cơ sai số từ việc ghi chép thủ công.

4.2. Hướng phát triển tích hợp trí tuệ nhân tạo và Edge Computing

Hệ thống tủ điện IoT có tiềm năng mở rộng to lớn trong các giai đoạn tiếp theo. Nhóm nghiên cứu có thể tích hợp thuật toán học máy ngay tại biên mạng. Khả năng này giúp tủ điện tự động phân tích dạng sóng dòng điện để nhận diện sự cố. Cơ chế phân tích thông minh sẽ dự báo chính xác tuổi thọ của linh kiện. Ngoài ra, việc bổ sung giao thức công nghiệp Modbus RTU hoặc MQTT sẽ tăng tính linh hoạt. Thiết bị dễ dàng kết nối vào hệ thống SCADA của các nhà máy lớn. Sự kết hợp này biến tủ điện thành một trạm thông minh tự chủ.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật và xu hướng tự động hóa đã thúc đẩy việc ứng dụng mạng lưới vạn vật kết nối Internet (Internet of Things - IoT) vào các hệ thống quản lý, giám sát công nghiệp và dân dụng. Việc giám sát và điều khiển thiết bị từ xa qua Internet giúp nâng cao năng suất, giảm thiểu chi phí vận hành, bảo trì và giảm áp lực nhân lực.

Trước đây, từ những năm 1990, các hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị công nghiệp từ xa chủ yếu dựa trên kiến trúc SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) kết nối thông qua mạng cục bộ LAN, hoặc tích hợp các Web Server chuyên dụng do các hãng sản xuất thiết bị điều khiển khả trình (PLC) như Siemens cung cấp. Mặc dù đem lại hiệu quả vận hành, các hệ thống SCADA truyền thống bộc lộ những hạn chế đáng kể: giao diện điều khiển phụ thuộc vào cấu hình mặc định đóng kín của nhà sản xuất, tính linh hoạt thấp và khả năng mở rộng lập trình tùy biến theo nhu cầu đặc thù của người vận hành bị hạn chế. Nhằm giải quyết vấn đề trên, đề tài "Ứng dụng IoT trong việc giám sát trạng thái và điều khiển tủ điện" được thực hiện nhằm xây dựng một mô hình tủ điện có khả năng lập trình mở, cho phép thiết kế giao diện tùy biến, chi phí sản xuất thấp và kết nối điều khiển linh hoạt qua mạng không dây.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo 7 nội dung:

1. Giám sát các thông số: dòng điện (I), điện áp (V), tần số (f), hệ số công suất Power Factor (cosØ), công suất tiêu thụ.
2. Cảnh báo khi có sự cố (quá áp, sụt áp, quá tải,…), sau đó ngắt tủ điện.
3. Điều khiển đóng cắt contactor thông qua relay.
4. Khoá/mở tủ bằng thẻ từ RFID, vân tay, password.
5. Thiết kế App trên điện thoại có thể giám sát và điều khiển tủ điện.
6. Tiếp nhận thông tin và điều khiển tủ qua mạng Wifi nội bộ.
7. Thi công tủ điều khiển thực tế.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống tủ điện phân phối và điều khiển phụ tải điện, kết hợp các thiết bị cảm biến đo lường thông số điện năng và cơ chế an ninh mở tủ đa tầng. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian được triển khai thử nghiệm tại Bộ môn VHDL, Khoa Đào tạo Chất lượng cao thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Phạm vi thời gian thực hiện nghiên cứu kéo dài từ ngày 26/09/2022 đến ngày 24/12/2022, hoàn thiện báo cáo và đánh giá vào tháng 01/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên khung lý thuyết về kiến trúc 4 lớp của hệ thống IoT bao gồm: lớp thiết bị (Things), lớp trạm kết nối (Gateways), lớp hạ tầng mạng (Network and Cloud), và lớp phân tích, xử lý dữ liệu dịch vụ (Services-creation and Solution Layers). Về mặt giao thức mạng, nghiên cứu khảo sát các giao thức truyền tải dữ liệu phổ biến dành cho IoT như MQTT (mô hình Broker - Client Publish/Subscribe chạy trên TCP, nhẹ, hỗ trợ QoS), CoAP (truyền thông trên nền UDP, hỗ trợ địa chỉ broadcast và multicast), AMQP (giao thức định hướng message với độ tin cậy và bảo mật cao), DDS (giao thức phi tập trung peer-to-peer cho các kết nối thời gian thực), và XMPP (giao thức truyền thông định hướng tin nhắn dựa trên chuẩn XML).

Về chuẩn giao tiếp phần cứng vi điều khiển, đề tài nghiên cứu chi tiết hai chuẩn giao tiếp nối tiếp là I2C (Inter-Integrated Circuit) và UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). Giao thức I2C sử dụng 2 đường tín hiệu SCL (Serial Clock Line) và SDA (Serial Data Line) hoạt động ở chế độ cực thu hở (Open Drain) có điện trở kéo lên nguồn từ 1 đến 4.7 kΩ, quản lý thiết bị theo mô hình Master - Slave thông qua khung bit địa chỉ 7-bit và các bit xác nhận ACK/NACK. Giao thức UART sử dụng 2 dây tín hiệu độc lập TX (Transmitter) và RX (Receiver) để truyền nhận dữ liệu không đồng bộ dưới dạng các gói tin chứa Start bit, khung dữ liệu Data frame (5 đến 9 bit), bit kiểm tra chẵn lẻ Parity bit và Stop bit.

Đặc điểm so sánh	Chuẩn UART	Chuẩn I2C
Số lượng dây tín hiệu	2 dây (1 dây truyền TX & 1 dây nhận RX)	2 dây (1 dây xung nhịp SCL & 1 dây dữ liệu SDA)
Chế độ truyền	Full duplex (Không phân biệt master – slave)	Half duplex (Nhiều master & nhiều slave)
Phương thức xung nhịp	Truyền không đồng bộ (tự đặt tốc độ truyền)	Truyền đồng bộ (dựa vào xung clock của Master)
Tốc độ truyền dữ liệu	Tối đa khoảng 460 kbps	100 kbps (Standard), 400 kbps, 1 Mbps, 3.4 Mbps
Khoảng cách truyền	Khoảng 12 mét trên lý thuyết	Giới hạn truyền trên bo mạch
Số lượng thiết bị kết nối	2 thiết bị giao tiếp điểm - điểm (1 - 1)	Lên đến 127 thiết bị phân biệt bằng địa chỉ

Về mặt công nghệ nhận dạng không dây, đề tài ứng dụng công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) hoạt động trên nguyên lý cảm ứng điện từ không tiếp xúc ở tần số 13.56 MHz qua module MFRC-522, hỗ trợ chuẩn ISO/IEC 14443A/MIFARE với cự ly đọc từ 0 đến 60 mm.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai kết hợp giữa tính toán thiết kế kỹ thuật, gia công phần cứng và phát triển phần mềm:

• Phương pháp tính toán phụ tải và thiết kế mạch: Xác định công suất tiêu thụ của các thiết bị để lựa chọn khí cụ bảo vệ đóng ngắt (Aptomat MCB), tính toán lựa chọn tiết diện dây dẫn theo dòng định mức của Cadivi; vẽ sơ đồ nguyên lý và layout mạch in PCB trên phần mềm Proteus.
• Phương pháp thực nghiệm phần cứng: Đo đạc thực tế các đại lượng điện xoay chiều thông qua mạch PZEM-004T của thương hiệu Peacefair; ghép nối và kiểm thử chức năng cảm biến vân tay R502, bàn phím số Keypad 4x4, màn hình LCD 16x2 I2C và module đóng cắt relay kích hoạt Contactor.
• Phương pháp xây dựng phần mềm nhúng và ứng dụng di động: Lập trình firmware điều khiển bằng C/C++ trên nền tảng Arduino IDE; thiết lập cơ sở dữ liệu thời gian thực Google Firebase Realtime Database; lập trình ứng dụng di động trên phần mềm Android Studio.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm số liệu kỹ thuật do giảng viên hướng dẫn cung cấp, thông số kỹ thuật tiêu chuẩn từ datasheet của các linh kiện điện tử (ESP32 của Espressif Systems, PZEM-004T của Peacefair, cảm biến R502, chip RC522) và dữ liệu thực nghiệm thu thập từ mô hình tủ điện thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phần cứng phân khối chức năng, kết hợp hai vi điều khiển xử lý và liên kết với hệ thống phần mềm quản lý đám mây:

1. Kiến trúc phần cứng và thiết kế mạch

Hệ thống phần cứng bao gồm các khối chức năng chính sau:

• Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng 2 vi điều khiển ESP32 (module ESP32-WROOM-32) tích hợp bộ vi xử lý Tensilica Xtensa LX6 32-bit lõi kép có tần số hoạt động lên đến 240 MHz, bộ nhớ SRAM 520 KB, Flash 4 MB, tích hợp sẵn kết nối Wi-Fi chuẩn 802.11 b/g/n và Bluetooth v4.2/BLE. Việc phân chia hai vi điều khiển (ESP32_1 và ESP32_2) giúp tách biệt khối tác vụ xác thực an ninh truy cập và khối tác vụ đo lường, giao tiếp truyền thông nhằm đảm bảo tốc độ phản hồi.
• Khối đo lường năng lượng AC: Tích hợp module PZEM-004T kết hợp cuộn biến dòng CT lõi rắn (kích thước 31 x 29 x 47 mm). Mạch có dải đo điện áp từ 80 đến 260 VAC (độ phân giải 0.1 V, tần số 45 - 65 Hz), dải đo dòng điện từ 0 đến 100 A (ngưỡng bắt đầu đo 0.001 A), dải đo công suất từ 0 đến 23 kW (ngưỡng bắt đầu đo 0.1 W), độ chính xác đo lường toàn dải đạt 0.5%, giao tiếp với vi điều khiển thông qua cổng UART.
• Khối an ninh và xác thực truy cập: Tích hợp ba giao diện bảo mật phần cứng tại cửa tủ điện gồm: cảm biến vân tay điện dung R502 (độ phân giải 508 DPI, giao tiếp UART chuẩn TTL), module đọc thẻ từ RFID RC522 (tần số hoạt động 13.56 MHz, giao tiếp SPI, dòng điện hoạt động 13 - 26 mA ở điện áp 3.3 VDC), và bàn phím ma trận phím bấm Keypad 4x4 dùng để nhập mật mã.
• Khối hiển thị tại chỗ: Sử dụng màn hình tinh thể lỏng LCD 16x2 tích hợp mạch chuyển đổi I2C giúp rút gọn số lượng đường truyền tín hiệu từ vi điều khiển xuống còn 2 dây (SDA, SCL).
• Khối động lực và cơ cấu chấp hành: Khí cụ đóng ngắt bảo vệ gồm Aptomat MCB 2 cực của thương hiệu Sino Vanlock, khởi động từ Contactor 3 pha 3 cực (tích hợp 1 tiếp điểm thường mở NO và 1 tiếp điểm thường đóng NC), module relay trung gian nhận lệnh kích từ chân GPIO của ESP32 để đóng ngắt nguồn cấp cho cuộn hút của Contactor. Hệ thống sử dụng nguồn chuyển đổi 12 VDC cấp cho relay và mạch điều khiển, cùng hệ thống dây dẫn đồng bọc cách điện Cadivi CVV/DTA được tính chọn tương thích với dòng điện phụ tải.

2. Thiết kế phần mềm và cấu trúc giao tiếp

Phần mềm hệ thống được triển khai trên ba môi trường chính:

• Firmware cho ESP32: Lập trình bằng ngôn ngữ C/C++ trên nền tảng Arduino IDE. Chương trình bao gồm các lưu đồ thuật toán con xử lý độc lập: thuật toán quét và so khớp dấu vân tay (R502), thuật toán quét nhận dạng mã thẻ RFID (RC522), thuật toán quét ma trận phím (Keypad 4x4) và thuật toán đọc khung truyền dữ liệu điện năng qua UART từ PZEM-004T. Khi dữ liệu đo đạc vượt ngưỡng cho phép (sụt áp, quá áp hoặc quá dòng tải), ESP32 tự động gửi tín hiệu kích ngắt relay để ngắt Contactor bảo vệ phụ tải.
• Cơ sở dữ liệu đám mây: Sử dụng Google Firebase Realtime Database đóng vai trò làm máy chủ trung gian lưu trữ dữ liệu thời gian thực. ESP32 kết nối với Firebase thông qua sóng Wi-Fi nội bộ bằng các thư viện kết nối chuyên dụng, liên tục cập nhật các giá trị dòng điện, điện áp, công suất, hệ số cosØ và nhận lệnh điều khiển đóng/ngắt tủ từ ứng dụng di động.
• Ứng dụng di động (Android App): Xây dựng trên nền tảng Android Studio. Ứng dụng gồm giao diện đăng nhập (giao diện bắt đầu) và giao diện giám sát - điều khiển. Ứng dụng đọc dữ liệu từ Firebase để hiển thị trực quan thông số điện năng lên màn hình điện thoại và cho phép người dùng nhấn nút phát lệnh điều khiển đóng cắt Contactor từ xa thông qua mạng Wi-Fi.

3. Quy trình thi công và đóng gói mô hình

Mạch in bo mạch điều khiển được thiết kế layout trên phần mềm Proteus, gia công in mạch PCB, khoan lỗ, hàn linh kiện và đấu nối dây dẫn đến các cọc terminal. Toàn bộ thiết bị được lắp ráp hoàn chỉnh vào một vỏ tủ điện công nghiệp: mặt trước cửa tủ bố trí màn hình LCD 16x2, cảm biến vân tay R502, bàn phím Keypad 4x4 và khe quét thẻ RFID; bên trong tủ điện bố trí Aptomat MCB Sino Vanlock, Contactor 3 pha, module relay, các bo mạch vi điều khiển ESP32, bộ nguồn 12V và hệ thống máng đi dây kỹ thuật.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về bối cảnh công nghệ, đặt vấn đề dẫn nhập đến lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu khắc phục nhược điểm của các hệ thống SCADA công nghiệp truyền thống. Tác giả xác định rõ ràng mục tiêu nghiên cứu gồm 7 nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể (đo 5 thông số điện năng, cảnh báo và tự động ngắt tải khi có sự cố, đóng cắt contactor qua relay, mở khóa tủ bằng 3 cơ chế an ninh, viết app Android giám sát qua Wi-Fi, và thi công tủ điện thực tế). Chương này cũng vạch ra 4 nội dung nghiên cứu chính cùng các giới hạn kỹ thuật của hệ thống (yêu cầu bắt buộc phải có kết nối Wi-Fi, hệ thống chưa có khả năng tự động kết nối mạng và tốc độ phản hồi điều khiển vẫn còn chậm) và phác thảo bố cục tài liệu gồm 6 chương.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng lý thuyết phục vụ cho quá trình thiết kế hệ thống:

• Hệ thống hóa định nghĩa IoT, phân tích chi tiết cấu trúc 4 lớp và khảo sát các giao thức truyền tải dữ liệu phổ biến (MQTT, CoAP, AMQP, DDS, XMPP), nêu rõ cơ chế hoạt động, đặc tính tin cậy, bảo mật và lưu lượng của từng giao thức.
• Phân loại các chuẩn mạng Wi-Fi theo tiêu chuẩn của IEEE (từ chuẩn 802.11b, g, n đến 802.11ax/ac).
• Phân tích sâu nguyên lý hoạt động của hai chuẩn giao tiếp nối tiếp UART và I2C: cấu tạo khung truyền, các dạng xung nhịp, vai trò của bit Start/Stop, Parity, ACK/NACK, cấu trúc đường truyền Open Drain của I2C và lập bảng so sánh chi tiết giữa hai chuẩn giao tiếp này.
• Trình bày thông số kỹ thuật và cấu tạo của vi điều khiển ESP32 (lõi kép Xtensa LX6 32-bit xung nhịp 240 MHz, 520 KB SRAM, 448 KB ROM, 34 chân GPIO), module ESP32-WROOM-32, module nhận dạng thẻ từ RFID RC522 (tần số 13.56 MHz, giao tiếp SPI), module đo điện năng AC PZEM-004T (dải đo áp 80 - 260 VAC, dòng 0 - 100 A, công suất 0 - 23 kW, cấp chính xác 0.5%), module cảm biến vân tay điện dung R502 (độ phân giải 508 DPI, giao tiếp UART), và nguyên lý hoạt động của các khí cụ điện đóng cắt như Contactor và Aptomat MCB.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày các bước tính toán phụ tải và thiết kế kỹ thuật cho toàn bộ hệ thống:

• Thiết lập sơ đồ mặt bằng tính toán phụ tải, liệt kê bảng công suất tiêu thụ chi tiết của các thiết bị trong hệ thống để làm cơ sở chọn lựa thiết bị.
• Tính toán lựa chọn Aptomat MCB 2 cực bảo vệ dựa trên đặc tính dòng ngắt và điện áp; tính chọn tiết diện dây dẫn đồng CVV/DTA của Cadivi dựa theo dòng điện định mức của phụ tải.
• Thiết kế chi tiết 4 khối mạch chức năng: khối động lực tủ điện (sơ đồ nguyên lý mạch động lực), khối điều khiển trung tâm (sử dụng 2 bộ vi điều khiển ESP32), khối cảm biến và ngoại vi (lập bảng sơ đồ nối dây chi tiết cho bàn phím Keypad 4x4, module PZEM-004T, cảm biến vân tay R502, màn hình LCD 16x2 I2C với các chân GPIO của ESP32), và khối hiển thị.
• Tính toán tổng công suất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng nguồn 12V và vẽ hoàn thiện sơ đồ nguyên lý toàn mạch của hệ thống.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo phần cứng, đóng gói và phát triển phần mềm:

• Thiết kế mạch in PCB trên phần mềm Proteus, xuất file in, gia công bo mạch in, kiểm tra đường mạch và hàn gắn linh kiện lên hai mặt bo mạch.
• Lắp đặt toàn bộ khí cụ đóng cắt, bo mạch điều khiển và các thiết bị ngoại vi vào tủ điện công nghiệp theo các bản vẽ thiết kế mặt trước, mặt sau cánh tủ và bố trí không gian bên trong tủ; lập bảng tổng hợp danh mục thiết bị, linh kiện và chi phí thi công thực tế.
• Lập trình hệ thống: xây dựng các lưu đồ thuật toán điều khiển gồm lưu đồ chương trình con quét vân tay R502, lưu đồ quét bàn phím Keypad, lưu đồ quét mã thẻ từ RFID, lưu đồ chương trình chính của ESP32_1 và lưu đồ chương trình chính của ESP32_2.
• Triển khai môi trường phần mềm: cài đặt phần mềm Arduino IDE và cấu hình gói thư viện hỗ trợ board ESP32; khởi tạo dự án trên Google Firebase (kết nối Google Cloud, cấu hình Realtime Database); cài đặt phần mềm Android Studio và lập trình giao diện App giám sát, điều khiển.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 trình bày và phân tích các kết quả thực tế đạt được sau khi chạy thử nghiệm mô hình:

• Kết quả phần cứng: Thi công hoàn chỉnh mô hình tủ điện thực tế với độ hoàn thiện cơ khí cao; hệ thống dây dẫn trong tủ được bố trí trong máng đi dây gọn gàng; các thiết bị đo lường và bảo mật mặt ngoài tủ hoạt động ổn định.
• Kết quả phần mềm: Hoàn thiện giao diện ứng dụng Android cho phép hiển thị các thông số đo lường điện năng (điện áp, dòng điện, công suất, tần số, hệ số cosØ) theo thời gian thực nhận từ Firebase; các nút nhấn điều khiển đóng/cắt Contactor trên ứng dụng hoạt động chính xác.
• Đưa ra nhận xét, đánh giá khách quan về hiệu quả phần cứng (độ nhạy nhận diện vân tay, tốc độ đọc thẻ từ, độ tin cậy của cơ cấu relay - contactor) và hiệu năng phần mềm (khả năng đồng bộ dữ liệu của Firebase, tính thân thiện của giao diện di động).

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được đối chiếu với các mục tiêu ban đầu của đề tài. Tác giả khẳng định tính khả thi và khả năng ứng dụng thực tế của mô hình tủ điện thông minh trong việc kết hợp giữa kỹ thuật điện công nghiệp và công nghệ IoT. Đồng thời, chương này đề xuất các hướng phát triển kỹ thuật nhằm hoàn thiện hệ thống trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm chính

Hệ thống đã được chế tạo, lắp ráp và vận hành thử nghiệm hoàn chỉnh với các thông số kỹ thuật được xác thực trong văn bản:

• Phần cứng tủ điện: Chế tạo thành công mô hình tủ điện phân phối hoàn chỉnh tích hợp khối động lực (MCB 2 cực Sino Vanlock, khởi động từ Contactor 3 pha 3 cực có 1 tiếp điểm NO và 1 tiếp điểm NC, hệ thống dây dẫn Cadivi CVV/DTA) và khối vi điều khiển kép sử dụng 2 chip ESP32 trên bo mạch in PCB tự thiết kế.
• Đo lường thông số AC: Thu thập chính xác và liên tục 5 thông số năng lượng lưới điện thông qua module PZEM-004T gồm: điện áp trong dải 80 - 260 VAC (độ phân giải 0.1 V), dòng điện trong dải 0 - 100 A (độ phân giải từ 0.001 A), công suất tiêu thụ trong dải 0 - 23 kW (độ phân giải 0.1 W), tần số lưới 45 - 65 Hz và hệ số công suất cosØ với độ chính xác phép đo đạt 0.5%.
• Cơ chế bảo vệ tự động: Hệ thống nhận diện các sự cố lưới điện gồm quá áp, sụt áp và quá tải dòng điện; ngay sau khi phát hiện sai lệch thông số vượt ngưỡng cho phép, mạch điều khiển lập tức xuất tín hiệu ngắt relay trung gian để nhả Contactor, ngắt nguồn tải để bảo vệ thiết bị.
• Cơ chế kiểm soát ra vào tủ điện: Vận hành ổn định ba phương thức khóa/mở cửa tủ tại chỗ gồm cảm biến vân tay R502 (độ phân giải 508 DPI), thẻ nhận dạng tần số sóng vô tuyến RFID RC522 (tần số 13.56 MHz, chuẩn MIFARE) và mật khẩu số trên bàn phím ma trận Keypad 4x4.
• Ứng dụng điều khiển và giám sát: Xây dựng hoàn chỉnh ứng dụng di động trên nền tảng Android Studio kết nối đồng bộ cơ sở dữ liệu thời gian thực Google Firebase Realtime Database qua mạng Wi-Fi nội bộ, hỗ trợ hiển thị dữ liệu đo đạc và điều khiển đóng cắt từ xa qua màn hình cảm ứng điện thoại.

2. Giải pháp và kiến nghị đề xuất

Tác giả đề xuất giải pháp phân chia khối xử lý điều khiển thành hai vi điều khiển ESP32 riêng biệt: một vi điều khiển chuyên trách quét các ngoại vi an ninh (vân tay, bàn phím, thẻ từ) và vi điều khiển còn lại chuyên trách việc đọc dữ liệu điện năng AC qua UART và kết nối truyền thông Wi-Fi/Firebase. Giải pháp này giúp tránh hiện tượng nghẽn luồng xử lý tín hiệu khi đồng thời thực hiện nhiều tác vụ giao tiếp ngoại vi.

3. Đóng góp của đề tài

So với các nghiên cứu và hệ thống SCADA công nghiệp trước đây, đồ án tự nêu bật những đóng góp thiết thực:

• Khắc phục triệt để hạn chế về tính đóng kín của hệ thống SCADA truyền thống, xóa bỏ sự phụ thuộc vào các giao diện mặc định độc quyền của các hãng sản xuất PLC như Siemens.
• Cung cấp một nền tảng phần cứng và phần mềm có tính mở cao, cho phép kỹ sư tự do lập trình tùy biến thuật toán điều khiển và thiết kế giao diện đồ họa giám sát theo đúng nhu cầu sử dụng thực tế.
• Tối ưu hóa chi phí chế tạo mô hình giám sát tủ điện công nghiệp bằng cách thay thế các module PLC đắt tiền bằng vi điều khiển SoC ESP32 chi phí thấp nhưng vẫn đảm bảo khả năng kết nối mạng không dây và độ chính xác đo lường điện năng đạt chuẩn công nghiệp (cấp chính xác 0.5%).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo công bố của tác giả tại Mục 1.4, hệ thống còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

• Tính phụ thuộc mạng: Quá trình điều khiển và giám sát trạng thái từ xa bắt buộc phải duy trì kết nối mạng Wi-Fi liên tục; nếu mất tín hiệu sóng Wi-Fi, việc điều khiển qua ứng dụng di động sẽ bị gián đoạn.
• Cấu hình mạng thủ công: Hệ thống chưa được tích hợp tính năng tự động cấu hình hoặc kết nối lại Wi-Fi tự động khi thay đổi thông tin định danh mạng (SSID và mật khẩu).
• Độ trễ điều khiển: Tốc độ phản hồi và thời gian thực thi lệnh điều khiển từ ứng dụng qua máy chủ Firebase đến cơ cấu chấp hành tủ điện trên thực tế vẫn còn độ trễ nhất định (tốc độ điều khiển còn chậm).

Hướng phát triển tiếp theo được đề xuất tại Mục 6.2 của đồ án bao gồm:

• Phát triển và tích hợp tính năng tự động kết nối và cấu hình mạng Wi-Fi cho vi điều khiển ESP32 mà không cần phải nạp lại mã nguồn.
• Tối ưu hóa cấu trúc dữ liệu và thuật toán truyền nhận trên Google Firebase nhằm cải thiện tốc độ phản hồi, giảm thiểu độ trễ đóng cắt của tủ điện.
• Mở rộng phạm vi điều khiển và giám sát qua mạng diện rộng Internet công cộng thay vì chỉ giới hạn trong phạm vi mạng Wi-Fi nội bộ.
• Nghiên cứu tích hợp thêm các kênh cảnh báo khẩn cấp tức thời như gửi tin nhắn SMS hoặc thông báo đẩy (push notification) trực tiếp về điện thoại người quản lý khi xảy ra sự cố quá tải, sụt áp hoặc quá áp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ Thông tin đang thực hiện các đồ án tốt nghiệp hoặc đề tài nghiên cứu về hệ thống nhúng, đo lường năng lượng và giải pháp IoT công nghiệp.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao trong tài liệu bao gồm:

• Phương pháp tính chọn phụ tải, aptomat MCB bảo vệ và tính toán tiết diện dây dẫn Cadivi CVV/DTA theo dòng định mức trong thiết kế tủ điện.
• Bản vẽ thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch và thiết kế bo mạch in PCB trên phần mềm Proteus phối hợp nhiều giao tiếp phần cứng (UART, I2C, SPI, ma trận phím).
• Quy trình tích hợp phần cứng vi điều khiển ESP32 với dịch vụ đám mây Google Firebase Realtime Database và phương pháp lập trình ứng dụng Android trên Android Studio để giao tiếp dữ liệu thời gian thực.
• Cấu trúc thuật toán xử lý đa phương thức xác thực an ninh kết hợp giữa cảm biến vân tay R502, đầu đọc thẻ RFID RC522 và bàn phím số Keypad 4x4.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng những phương thức xác thực an ninh nào để kiểm soát việc mở tủ điện?

Tủ điện được tích hợp 3 cơ chế xác thực an ninh phần cứng độc lập tại cửa tủ: xác thực sinh trắc học qua cảm biến vân tay điện dung R502 (độ phân giải 508 DPI, giao tiếp UART), xác thực bằng thẻ cảm ứng thông qua module RFID RC522 (tần số sóng mang 13.56 MHz, giao tiếp SPI), và xác thực bằng mã số (password) thông qua bàn phím ma trận Keypad 4x4.

2. Các thông số điện năng xoay chiều nào được hệ thống thu thập và xử lý?

Hệ thống sử dụng module PZEM-004T của hãng Peacefair để đo đạc và giám sát liên tục 5 thông số của nguồn điện xoay chiều AC gồm: điện áp (80 - 260 VAC), dòng điện (0 - 100 A), công suất tiêu thụ (0 - 23 kW), tần số lưới điện (45 - 65 Hz) và hệ số công suất Power Factor (cosØ). Toàn bộ các phép đo này đạt cấp chính xác 0.5%.

3. Hệ thống xử lý thế nào khi xảy ra các sự cố về nguồn điện?

Khi các thông số điện năng đo được từ cảm biến PZEM-004T vượt qua các ngưỡng an toàn đã được cài đặt (như sự cố quá áp, sụt áp hoặc quá tải dòng điện), vi điều khiển ESP32 sẽ kích hoạt tín hiệu cảnh báo sự cố, đồng thời ngay sau đó điều khiển ngắt relay trung gian để cắt nguồn nuôi cuộn hút của Contactor, ngắt nguồn điện cấp ra phụ tải nhằm bảo vệ an toàn cho hệ thống.

4. Vai trò của 2 vi điều khiển ESP32 trong kiến trúc phần cứng là gì?

Hệ thống sử dụng 2 vi điều khiển ESP32 (module ESP32-WROOM-32) để phân tách nhiệm vụ: một vi điều khiển (ESP32_1) chịu trách nhiệm giao tiếp, quét và xử lý tín hiệu từ các thiết bị xác thực mở tủ (cảm biến vân tay R502, thẻ từ RFID RC522, bàn phím Keypad 4x4); vi điều khiển còn lại (ESP32_2) chịu trách nhiệm giao tiếp với module đo điện PZEM-004T qua UART, điều khiển đóng cắt relay/contactor, xuất thông tin ra màn hình LCD 16x2 I2C và đảm nhận việc truyền nhận dữ liệu với Google Firebase qua kết nối Wi-Fi.

5. Những giới hạn kỹ thuật chính mà tác giả đã chỉ ra trong đề tài là gì?

Đề tài xác định rõ 3 giới hạn: việc điều khiển từ xa bắt buộc phải có kết nối sóng Wi-Fi liên tục; hệ thống chưa có khả năng tự động kết nối Wi-Fi khi thông tin mạng thay đổi; và tốc độ phản hồi khi gửi lệnh điều khiển từ App di động qua cơ sở dữ liệu Firebase đến thiết bị đóng cắt trên thực tế vẫn còn độ trễ nhất định.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng IoT trong việc giám sát trạng thái và điều khiển tủ điện" đã nghiên cứu, thiết kế và thi công thành công một mô hình tủ điện hoàn chỉnh kết hợp giữa khí cụ đóng cắt công nghiệp và công nghệ IoT. Bằng việc phối hợp hai vi điều khiển ESP32, module đo lường PZEM-004T, hệ thống xác thực an ninh đa lớp (vân tay, RFID, mã số) cùng nền tảng Google Firebase và ứng dụng Android Studio, đề tài đã giải quyết hiệu quả bài toán giám sát năng lượng và điều khiển từ xa với chi phí thấp và tính tùy biến cao. Kết quả thực nghiệm của hệ thống cung cấp một tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị ứng dụng thực tiễn cho sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử và Tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề dẫn nhập đến lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn, thông số và bố cục của đồ án. 2 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết: Trình bày chi tiết về những lý thuyết cơ bản liên quan đến các vấn đề mà đề tài sử dụng để thiết kế và thi công. Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán: Trình bày các bước thiết kế, tính toán về phần cứng, cũng như phần mềm để phù hợp với yêu cầu của đề tài. Chương 4: Thi công hệ thống: Trình bày quá trình thi công về phần cứng cũng như phần mềm, mô phỏng và kiểm tra quá trình hoạt động của hệ thống.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá: Trình bày kết quả đạt được sau khi hoàn thành hệ thống, đưa ra nhận xét, đánh giá Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển: Trình bày kết luận và hướng phát triển đề tài.1 Khái niệm IoT Internet of Things (IoT) mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối Internet, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó.2 Cấu Trúc Của Một Hệ Thống IOT Với một hệ thống IoT chúng sẽ bao gồm 4 thành phần chính đó là thiết bị (Things), trạm kết nối (Gateways), hạ tầng mạng (Network and Cloud) và bộ phân tích và xử lý dữ liệu (Services-creation and Solution Layers). Các cảm biến sẽ có nhiệm vụ cảm nhận các tín hiệu từ môi trường như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, … và chuyển chúng thành các dạng dữ liệu trong môi trường Internet.

Sau đó các tín hiệu sẽ được xử lý và đưa ra các thay đổi theo ý của người tiêu dùng. Hiện nay chúng thường được ứng dụng thông qua các ứng dụng trên điện thoại hay trên máy tính,… 2.3 Các Giao Thức Truyền Tải Để khai thác hết được tiềm năng của mô hình IoT, các thiết bị kết nối cần phải giao tiếp với nhau bằng các giao thức nhẹ mà không làm tiêu tốn quá nhiều tài nguyên của CPU. Các giao thức truyền tải dữ liệu phổ biến có thể được sử dụng trong các mô hình IoT là: MQTT, CoAP, AMQP, DDS, XMPP.1 MQTT (Message Queue Telemetry Transport) MQTT là một giao thức mã nguồn mở để truyền các messages giữa nhiều Client (Publisher và Subscriber) thông qua một Broker trung gian, được thiết kế để đơn giản và dễ dàng triển khai. Kiến trúc MQTT dựa trên Broker trung gian và sử dụng kết nối TCP long-lived từ các Client đến Broker.

MQTT hỗ trợ tổ chức hệ thống theo các Topics có tính phân cấp, như một hệ thống tập tin (vd: /Home/kitchen/humidity), cung cấp nhiều lựa chọn điều khiển và QoS (Quality of Service).1 Giao thức MQTT MQTT là một giao thức khá nhẹ nên có thể được sử dụng cho truyền thông 2 chiều thông qua các mạng có độ trễ cao và độ tin cậy thấp, nó cũng tương thích với các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp.2 CoAP (Constrained Applications Protocol) CoAP là một giao thức truyền tải tài liệu theo mô hình client/server dựa trên internet tương tự như giao thức HTTP nhưng được thiết kế cho các thiết bị ràng buộc. Giao thức này hỗ trợ một giao thức one-to-one để chuyển đổi trạng thái thông tin giữa client và server. 5 CoAP sử dụng UDP (User Datagram Protocol), không hỗ trợ TCP, ngoài ra còn hỗ trợ địa chỉ broadcast và multicast, truyền thông CoAP thông qua các datagram phi kết nối (connectionless) có thể được sử dụng trên các giao thức truyền thông dựa trên các gói.2 Giao thức CoAP UDP có thể dễ dàng triển khai trên các vi điều khiển hơn TCP nhưng các công cụ bảo mật như SSL/TLS không có sẵn, tuy nhiên ta có thể sử dụng Datagram Transport Layer Security (DTLS) để thay thế.3 AMQP (Advanced Message Queue Protocol) AMQP là một giao thức làm trung gian cho các gói tin trên lớp ứng dụng với mục đích thay thế các hệ thống truyền tin độc quyền và không tương thích. Các tính năng chính của AMQP là định hướng message, hàng đợi, định tuyến (bao gồm point-to-point và publish-subscribe) có độ tin cậy và bảo mật cao.

Các hoạt động sẽ được thực hiện thông qua broker, nó cung cấp khả năng điều khiển luồng (Flow Control).3 Giao thức AMQP Một trong các Message Broker phổ biến là RabbitMQ, được lập trình bằng ngôn ngữ Erlang, RabbitMQ cung cấp cho lập trình viên một phương tiện trung gian để giao tiếp giữa nhiều thành phần trong một hệ thống lớn. Không giống như các giao thức khác, AMQP là một giao thức có dây (wire- protocol), có khả năng diễn tả các message phù hợp với định dạng dữ liệu, có thể triển khai với rất nhiều loại ngôn ngữ lập trình.4 DDS (Data Distribution Service) DDS là một ngôn ngữ trung gian dựa vào dữ liệu tập trung được sử dụng để cho phép khả năng mở rộng, thời gian thực, độ tin cậy cao và trao đổi dữ liệu tương tác.4 Giao thức DDS Đây là một giao thức phi tập trung (broker-less) với truyền thông ngang hàng trực tiếp theo kiểu peer-to-peer giữa các publishers và subscribers và được thiết kế để trở thành một ngôn ngữ và hệ điều hành độc lập. DDS gửi và nhận dữ liệu, sự kiện, và thông tin lệnh trên UDP nhưng cũng có thể chạy trên các giao thức truyền tải khác như IP Multicast, TCP / IP, bộ nhớ chia sẻ, … DDS hỗ trợ các kết nối được quản lý many-to- many theo thời gian thực và ngoài ra còn hỗ trợ dò tìm tự động (automatic discovery). Các ứng dụng sử dụng DDS cho truyền thông được tách riêng và không yêu cầu sự can thiệp từ các ứng dụng của người dùng, có thể đơn giản hóa việc lập trình mạng phức tạp.

Các tham số QoS được sử dụng để xác định các cơ chế tự dò tìm của nó được thiết lập một lần.5 XMPP (Extensible Messaging và Presence Protocol) XMPP (trước đây gọi là “Jabber”) là giao thức truyền thông dùng cho định hướng tin nhắn trung gian dựa trên ngôn ngữ XML.5 Giao thức XMPP XMPP là mô hình phân quyền client-server phi tập trung, được sử dụng cho các ứng dụng nhắn tin văn bản. Có thể nói XMPP gần như là thời gian thực và có thể mở rộng đến hàng trăm hàng nghìn nút. Dữ liệu nhị phân phải được mã hóa trước khi nó 8 được truyền đi trong băng tần. XMPP tương tự như MQTT, có thể chạy trên nền tảng TCP.1 Ưu Và Nhược Điểm Của IOT Ưu điểm + Truy cập thông tin từ mọi lúc, mọi nơi trên mọi thiết bị.

+ Cải thiện việc giao tiếp giữa các thiết bị điện tử được kết nối. + Chuyển dữ liệu qua mạng Internet giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc. + Tự động hóa các nhiệm vụ giúp cải thiện chất lượng dịch vụ của doanh nghiệp. Nhược điểm + Khi nhiều thiết bị được kết nối và nhiều thông tin được chia sẻ giữa các thiết bị thì hacker có thể lấy cắp thông tin bí mật cũng tăng lên.

+ Các doanh nghiệp có thể phải đối phó với số lượng lớn thiết bị IoT và việc thu thập và quản lý dữ liệu từ các thiết bị đó sẽ là một thách thức. + Nếu có lỗi trong hệ thống, có khả năng mọi thiết bị được kết nối sẽ bị hư hại. + Vì không có tiêu chuẩn quốc tế về khả năng tương thích cho IoT, rất khó để các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau giao tiếp với nhau.2 Tại Sao IOT Lại Quan Trọng IoT giúp mọi người sống và làm việc thông minh hơn, có thể kiểm soát được thời gian của họ một cách tốt nhất. IoT cung cấp cho các doanh nghiệp cái nhìn về thời gian mà hệ thống của họ thực sự hoạt động, cung cấp thông tin chi tiết về mọi thứ từ hiệu suất của máy móc đến chuỗi cung ứng và hoạt động hậu cần.

IoT giúp công ty tự động hóa các quy trình và giảm chi phí lao động. Giúp giảm chất thải và cải thiện dịch vụ, làm cho việc sản xuất và giao hàng ít tốn kém hơn, cũng như mang lại sự minh bạch trong các giao dịch của khách hàng. 9 Do đó, IoT là công nghệ quan trọng của cuộc sống hàng ngày và nó sẽ tiếp tục phát triển với công nghệ ngày càng phát triển mạnh mẽ.3 Ứng Dụng Của IOT Ứng dụng cho doanh nghiệp và công nghiệp: Lợi ích của IoT cho doanh nghiệp phụ thuộc vào việc triển khai cụ thể, doanh nghiệp nên có quyền truy cập vào dữ liệu nhiều hơn về các sản phẩm của họ và hệ thống nội bộ của họ. Các nhà sản xuất đang thêm các cảm biến vào các thành phần của sản phẩm để họ có thể truyền lại dữ liệu về cách chúng hoạt động.

Việc này sẽ giúp doanh nghiệp phát hiện ra lỗi trước khi thiệt hại xảy ra. Việc sử dụng IoT cho doanh nghiệp có thể được chia thành hai phân khúc: Các dịch vụ dành riêng cho ngành như cảm biến trong nhà máy phát điện hoặc thiết bị định vị thời gian thực để chăm sóc sức khỏe. Các thiết bị IoT được sử dụng trong tất cả các ngành công nghiệp, như điều hòa không khí thông minh hoặc hệ thống an ninh. Ứng dụng cho dân dụng IoT sẽ làm cho nhà, văn phòng và phương tiện của chúng ta trở nên thông minh hơn, dễ đo lường hơn và tốt hơn.

Các thiết bị thông minh như Echo của Amazon và Google Home giúp phát nhạc dễ dàng hơn, đặt bộ hẹn giờ,. Máy điều hòa thông minh có thể giúp chúng ta sưởi ấm nhà trước khi chúng ta quay trở lại. Các cảm biến có thể giúp chúng ta biết được môi trường đang ồn ào hay ô nhiễm như thế nào. Xe hơi tự lái và thành phố thông minh có thể thay đổi cách chúng ta xây dựng và quản lý không gian công cộng.Tuy nhiên, nhiều trong số những đổi mới này có thể có ảnh hưởng lớn đến quyền riêng tư cá nhân của chúng ta.1 Khái niệm WiFi là viết tắt của Wireless Fidelity được hiểu là sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín hiệu.

Loại sóng này có khả năng kết nối với mạng khác hay với máy tính bằng sóng vô tuyến. Nó tương tự như sóng điện thoại, truyền hình, radio. Hầu như các thiết bị điện tử như: máy tính, laptop, điện thoại, tablet…đều có thể truy cập WiFi để truy cập mạng nhằm đáp ứng nhu cầu của người dùng.