Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng Kit ARM điều khiển thiết bị điện trong nhà" được thực hiện bởi sinh viên Đặng Tiến Sự và Mai Văn Chiến, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Đình Phú tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (tháng 1 năm 2016). Đề tài thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử – Truyền thông, tập trung giải quyết bài toán tự động hóa điều khiển thiết bị gia dụng trong mô hình nhà thông minh (Smart Home) dựa trên nền tảng vi điều khiển 32-bit và mạng truyền thông Internet.

Lý do chọn đề tài xuất phát từ sự phát triển của vi điều khiển kiến trúc ARM, hạ tầng Internet, mạng thông tin di động 3G và các thiết bị cầm tay thông minh (smartphone, laptop). Các hệ thống điện truyền thống trong gia đình phụ thuộc vào mạng lưới công tắc cơ khí cố định, gây bất tiện trong quản lý, tiêu hao thời gian và hạn chế tính thẩm mỹ của không gian sống. Trong khi đó, việc điều khiển thiết bị từ xa qua Internet và màn hình cảm ứng giúp tập trung hóa công tác giám sát, thay thế công tắc vật lý và tối ưu hóa chi phí lắp đặt. Nhóm tác giả xác định kit ARM Cortex-M3 là dòng linh kiện mới trên thị trường vào thời điểm nghiên cứu và việc kết hợp điều khiển trực tiếp trên màn hình LCD cảm ứng lẫn điều khiển từ xa qua webserver nhúng là hướng tiếp cận mới mẻ ở cấp độ đồ án sinh viên tại khoa.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu, làm chủ công nghệ vi điều khiển ARM Cortex-M3 để làm bộ xử lý trung tâm của hệ thống.
  2. Xây dựng giao diện đồ họa trên màn hình cảm ứng LCD gắn kèm kit ARM nhằm thực hiện điều khiển và hiển thị trực quan trạng thái bật/tắt (ON/OFF) của các thiết bị điện trong từng khu vực chức năng của ngôi nhà.
  3. Tích hợp vi điều khiển với chip điều khiển Ethernet ENC28J60 qua giao tiếp SPI, lập trình xây dựng một ứng dụng webserver nhúng để thu nhận yêu cầu, phản hồi dữ liệu và điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua mạng Internet.
  4. Thiết kế, thi công các bo mạch công suất điều khiển thiết bị sử dụng nguồn điện một chiều (DC) và xoay chiều (AC), hoàn thiện mô hình thực nghiệm và tích hợp cơ chế bảo mật bằng mật khẩu khi truy cập hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển, giám sát thiết bị điện gia dụng (tải AC và DC như đèn chiếu sáng, quạt, các thiết bị sinh hoạt) ứng dụng vi điều khiển STM32F103VET6 lõi ARM Cortex-M3, vi mạch Ethernet ENC28J60 và giao thức truyền tải siêu văn bản HTTP.
  • Phạm vi không gian: Mô hình phần cứng thử nghiệm quy mô phòng mẫu ngôi nhà thông minh tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được giao ngày 20/10/2015 và hoàn thành nghiệm thu ngày 22/01/2016.
  • Giới hạn đề tài: Văn bản xác định giới hạn ở việc lập trình một webserver đơn giản trên nền vi điều khiển để điều khiển các thiết bị điện cơ bản, phản ánh đúng điều kiện thời gian và kiến thức thực tế của sinh viên thực hiện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án được xây dựng từ các khối kiến thức chuyên ngành về kỹ thuật vi điều khiển, mạng truyền thông và công nghệ web nhúng:

  • Khái niệm hệ thống điều khiển trong nhà: Mô hình gồm một bộ điều khiển trung tâm (Home Server) liên kết các thiết bị gia dụng đầu cuối qua đường truyền có dây hoặc không dây, cho phép người dùng giám sát tập trung.
  • Đánh giá các phương thức truyền thông: Tác giả phân tích ưu, nhược điểm của 5 giải pháp truyền thông điều khiển thiết bị bao gồm Wifi, Internet, Bluetooth, SMS và 3G. Trên cơ sở đó, phương thức truyền thông Internet có dây qua cáp mạng Ethernet được chọn làm nền tảng kết nối cho khối xử lý trung tâm.
  • Nguyên lý Webserver và giao thức HTTP: Nghiên cứu mô hình hoạt động của máy chủ web, cách thức trình duyệt phân tách URL, giao tiếp qua cổng mặc định 80, xử lý phương thức GET, cơ chế phân giải tên miền (DNS Server) và khái niệm dịch vụ web (Web Service) với các tiêu chuẩn UDDI, WSDL, SOAP/XML.
  • Vi mạch điều khiển Ethernet ENC28J60: Chip điều khiển mạng độc lập chuẩn IEEE 802.3, hỗ trợ cơ chế CSMA/CD, tốc độ truyền dữ liệu 10-20 Mbps, tích hợp module MAC, PHY, bộ đệm RAM kép truyền/nhận và bộ xử lý DMA, giao tiếp với vi điều khiển qua chuẩn nối tiếp SPI với tần số xung nhịp lên tới 20 MHz.
  • Cấu trúc vi điều khiển ARM Cortex-M3 (STM32F103VET6): Kiến trúc Harvard 32-bit RISC với bus dữ liệu và bus chương trình tách biệt; tập lệnh Thumb-2 kết hợp lệnh 16-bit và 32-bit; tần số hoạt động cực đại 72 MHz; bộ nhớ Flash 512 KB, SRAM 64 KB; cấu trúc định tuyến ngắt NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller) hỗ trợ độ trễ phục vụ ngắt 12 chu kỳ xung nhịp và kỹ thuật "tail-chaining" giảm trễ ngắt kế tiếp còn 6 chu kỳ; các khối chức năng ngoại vi GPIO, AFIO, Timer (1 bộ định thời nâng cao và 3 bộ định thời đa dụng 16-bit), EXTI và bộ điều khiển giao tiếp SPI (tốc độ tối đa 18 MHz).

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm:

  • Phương pháp tham khảo tài liệu: Thu thập, tổng hợp dữ liệu kỹ thuật từ datasheet nhà sản xuất (STMicroelectronics, Microchip), sách chuyên khảo về họ vi điều khiển ARM, các tài liệu hướng dẫn lập trình webserver và các nghiên cứu đi trước về kit Raspberry Pi, Arduino.
  • Phương pháp quan sát: Khảo sát thực tế các mạch đóng cắt công suất trên thị trường và sơ đồ mạch ứng dụng tham khảo trên Internet.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, vẽ và ủi mạch in (PCB), hàn lắp linh kiện phần cứng, viết mã nguồn phần mềm trên máy tính, nạp code điều khiển vào vi điều khiển STM32F103VET6, chạy thử nghiệm đóng cắt tải thực tế và tinh chỉnh lưu đồ thuật toán.

Dưới đây là bảng tổng hợp so sánh ưu và nhược điểm của các phương pháp điều khiển thiết bị được tác giả trích dẫn từ văn bản:

Phương pháp điều khiển Ưu điểm Nhược điểm
Wifi Cho phép người dùng truy cập mạng ở bất cứ nơi đâu trong khu vực phủ sóng; số lượng người sử dụng được nhiều. Chỉ hoạt động tốt trong phạm vi vài chục mét; dễ bị nhiễu và tính bảo mật không cao.
Internet Tốc độ truyền nhanh; phạm vi điều khiển không giới hạn không gian địa lý. Truyền thông qua dây cáp mạng; thiết bị điều khiển trung tâm đặt cố định ở một nơi nhất định.
Bluetooth Cho phép người dùng truy cập trong phạm vi phủ sóng; số lượng người sử dụng được nhiều. Phạm vi truyền ngắn (khoảng 10 mét); tính bảo mật không cao.
SMS Sử dụng mạng điện thoại di động; hoạt động tương đối ổn định; phạm vi phủ sóng rộng khắp nơi mạng di động vươn tới. Tốc độ truyền phụ thuộc vào chất lượng sóng mạng điện thoại; tốn chi phí cước viễn thông cho từng tin nhắn.
3G Kết nối Internet ở bất cứ nơi đâu có mạng điện thoại di động; phạm vi hoạt động rộng lớn. Tốn phí thuê bao dữ liệu hàng tháng; tốc độ truyền dữ liệu không cao, thường dao động từ 600 Kbit/giây đến 1,4 Mbit/giây.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo mô hình phân tán gồm 4 khối chức năng chính:

  • Khối xử lý và điều khiển trung tâm: Sử dụng kit phát triển tích hợp vi điều khiển STM32F103VET6. Vi điều khiển này đóng vai trò máy chủ tiếp nhận tín hiệu từ mạng và thao tác quét cảm ứng trên màn hình LCD, sau đó giải mã lệnh để xuất tín hiệu kích hoạt ra các cổng I/O.
  • Khối truyền thông mạng: Module IC ENC28J60 kết nối trực tiếp với cổng SPI của STM32F103VET6. Các đường tín hiệu giao tiếp bao gồm SCK (xung đồng hồ), MOSI (dữ liệu từ chủ sang tớ), MISO (dữ liệu từ tớ về chủ) và NSS/CS (chọn chip). Bộ đệm RAM nội của ENC28J60 tiếp nhận các gói tin Ethernet từ router mạng nội bộ thông qua cổng RJ45.
  • Khối hiển thị và điều khiển tại chỗ: Màn hình màu LCD cảm ứng tích hợp trên kit ARM, cho phép thiết kế giao diện đồ họa nút bấm tương ứng với các phòng và thiết bị điện, hiển thị trạng thái hoạt động thực tế.
  • Khối chấp hành công suất: Chia làm hai phân vùng mạch in tách biệt gồm bo mạch điều khiển thiết bị DC và bo mạch điều khiển thiết bị AC. Mạch sử dụng các tầng đệm bán dẫn và rơ-le cách ly quang nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho khối vi điều khiển 3.3V/5V khi đóng cắt dòng điện xoay chiều điện áp cao.

Quy trình triển khai phần mềm và kết nối mạng:

  1. Thuật toán chương trình chính: Sau khi cấp nguồn, hệ thống tiến hành khởi tạo cấu hình các chân ngoại vi GPIO, bảng vector ngắt NVIC, cấu hình thanh ghi truyền thông SPI và các tham số khởi động module ENC28J60 cùng màn hình LCD. Vòng lặp chính liên tục quét sự kiện chạm trên màn hình cảm ứng và kiểm tra cờ báo ngắt nhận gói tin (RXNE) từ module Ethernet.
  2. Thuật toán Webserver: Khi có gói tin yêu cầu kết nối theo giao thức HTTP cổng 80 từ máy khách (client), vi điều khiển phân tích chuỗi dữ liệu (request header). Nếu phát hiện yêu cầu GET hợp lệ, hệ thống trích xuất thông tin điều khiển, cập nhật trạng thái các chân GPIO tương ứng và đóng gói nội dung mã nguồn HTML chứa trạng thái mới của thiết bị để trả lời máy khách.
  3. Thiết lập truy cập từ xa qua Internet: Nhóm tác giả triển khai giải pháp cấu hình Dynamic DNS thông qua dịch vụ No-IP. Người quản trị đăng ký tài khoản tên miền động tại trang web No-IP, sau đó thực hiện mở cổng (Port Forwarding) trên modem router Internet gia đình (chuyển hướng cổng 80 tới địa chỉ IP tĩnh nội bộ của module ENC28J60). Quy trình này giúp người dùng ở bất kỳ mạng ngoài nào cũng có thể truy cập webserver điều khiển thông qua tên miền cố định.
  4. Cơ chế bảo mật: Hệ thống được lập trình giao diện xác thực; khi người dùng truy cập địa chỉ IP hoặc tên miền của hệ thống, webserver yêu cầu nhập mật khẩu bảo vệ trước khi cấp quyền can thiệp vào bảng điều khiển đóng cắt tải.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Dẫn nhập

Chương mở đầu trình bày tổng quan về xu hướng tự động hóa gia đình và vai trò của kỹ thuật điều khiển từ xa trong cuộc cách mạng số. Tác giả nêu rõ lý do chọn đề tài dựa trên tính ưu việt của dòng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M3 kết hợp công nghệ điều khiển kép (màn hình cảm ứng LCD và mạng Internet). Chương này xác định mục đích nghiên cứu, giới hạn kỹ thuật của hệ thống, ý tưởng thiết kế truyền thông wifi/mạng có dây, phương pháp nghiên cứu (tham khảo tài liệu, quan sát, thực nghiệm) và phác thảo cấu trúc 5 chương của đồ án. Kèm theo đó là tiến độ thực hiện gồm 15 tuần làm việc từ khâu tìm hiểu lý thuyết, thiết kế giao diện, lập trình vi điều khiển đến thi công phần cứng và hoàn thiện báo cáo.

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng kiến thức chi tiết phục vụ cho việc tính toán, thiết kế hệ thống. Nội dung chương chia thành các phần chuyên sâu:

  • Tổng quan điều khiển thiết bị: Phân tích cấu trúc cơ bản của hệ thống Smart Home gồm Home Server và các thiết bị đầu cuối; lập bảng so sánh ưu, nhược điểm của 5 phương thức truyền dẫn (Wifi, Internet, Bluetooth, SMS, 3G).
  • Tổng quan Webserver và IC ENC28J60: Trình bày nguyên lý xử lý yêu cầu GET/POST của giao thức HTTP, hoạt động phân giải DNS, kiến trúc Web Service (UDDI, WSDL, SOAP/XML) và cấu tạo 7 khối chức năng bên trong vi mạch ENC28J60 (giao diện SPI, thanh ghi điều khiển, bộ đệm RAM kép, trọng tài bus, logic MAC, module PHY CSMA/CD).
  • Kiến trúc ARM và dòng vi điều khiển STM32F103: Đi sâu phân tích đặc tính lõi Cortex-M3 kiến trúc Harvard, tập lệnh Thumb-2; bộ xử lý ngắt NVIC với cơ chế xử lý ngắt lồng nhau cực nhanh (12 chu kỳ xung nhịp) và tail-chaining (6 chu kỳ); cấu hình 5 cổng GPIO (từ A đến E, 80 chân điều khiển, các chế độ Input/Output và chức năng thay thế AFIO); cấu trúc 4 bộ định thời Timer 16-bit; nguyên lý truyền dữ liệu song công và đơn công của chuẩn giao tiếp ngoại vi nối tiếp SPI, chức năng các chân SCK, MOSI, MISO, NSS, ý nghĩa các cờ trạng thái TXE, RXNE, BSY và cấu hình các bit điều khiển CPOL, CPHA trong thanh ghi SPI_CR1.

Chương III: Thiết kế và xây dựng hệ thống điều khiển

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế kỹ thuật từ sơ đồ khối tổng quát đến sơ đồ nguyên lý chi tiết:

  • Phân tích yêu cầu kỹ thuật và chức năng của từng khối: khối vi điều khiển trung tâm STM32F103VET6, khối truyền thông ENC28J60, khối màn hình LCD cảm ứng, khối nguồn và khối điều khiển công suất.
  • Thiết kế mạch công suất: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tải DC và tải AC sử dụng linh kiện bán dẫn và rơ-le đóng cắt, đảm bảo khả năng đáp ứng dòng tải và cách ly an toàn.
  • Xây dựng giải thuật điều khiển: Thiết lập lưu đồ giải thuật chương trình chính trên chip ARM và lưu đồ giải thuật xử lý dịch vụ web của webserver nhúng.
  • Cấu hình mạng diện rộng: Hướng dẫn chi tiết 5 bước cài đặt dịch vụ No-IP và định tuyến cổng trên router mạng gia đình nhằm thiết lập địa chỉ IP tĩnh/tên miền cho webserver, cho phép người dùng từ bên ngoài Internet truy cập hệ thống.

Chương IV: Thi công, kết quả đạt được và nhận xét

Chương 4 ghi lại kết quả chế tạo mô hình vật lý và thử nghiệm vận hành hệ thống:

  • Chế tạo phần cứng: Trình bày bản vẽ thiết kế mạch in (PCB) và hình ảnh thực tế sau thi công của bo mạch điều khiển thiết bị DC và bo mạch điều khiển thiết bị AC.
  • Lắp đặt mô hình: Bố trí các cụm thiết bị bên trong và bên ngoài mô hình ngôi nhà thực nghiệm; tích hợp kit vi điều khiển và đi dây tín hiệu điều khiển.
  • Thử nghiệm giao diện điều khiển LCD: Vận hành thành công màn hình điều khiển chính và các màn hình điều khiển chi tiết từng phòng chức năng trên LCD cảm ứng của kit STM32F103VET6.
  • Thử nghiệm giao diện webserver: Triển khai thành công trang web điều khiển có chức năng bảo vệ bằng mật khẩu (password), cho phép quan sát trực quan trạng thái bật/tắt của đèn, quạt, thiết bị sinh hoạt và thao tác điều khiển thiết bị từ xa qua trình duyệt mạng.

Chương V: Kết luận và hướng phát triển

Chương kết luận đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu so với mục tiêu ban đầu. Nhóm tác giả khẳng định hệ thống đã hoạt động ổn định theo đúng thiết kế, làm chủ được kỹ thuật ghép nối ARM với module Ethernet và xây dựng thành công webserver nhúng. Đồng thời, chương này chỉ ra các điểm cần hoàn thiện và định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính đạt được trong đồ án:

  • Phần cứng: Chế tạo thành công 2 bo mạch công suất chuyên biệt (bo mạch điều khiển thiết bị DC và bo mạch điều khiển thiết bị AC); tích hợp hoàn chỉnh khối xử lý STM32F103VET6 (512 KB Flash, 64 KB SRAM, 72 MHz) với module Ethernet ENC28J60 thông qua chuẩn giao tiếp SPI đạt tốc độ truyền nhận dữ liệu ổn định; liên kết thành công màn hình LCD cảm ứng trực tiếp lên kit.
  • Phần mềm và giao diện:
    • Lập trình hoàn chỉnh firmware trên vi điều khiển ARM quản lý đồng thời hai phương thức điều khiển: tại chỗ bằng cảm ứng điện trở/điện dung trên LCD và từ xa qua giao thức HTTP.
    • Thiết kế giao diện đồ họa trên màn hình LCD hiển thị trạng thái của từng phòng trong nhà.
    • Xây dựng thành công webserver nhúng có cơ chế đăng nhập bằng mật khẩu để ngăn chặn truy cập trái phép.
    • Thiết lập thành công hệ thống định tuyến mạng qua dịch vụ No-IP, cho phép điều khiển và giám sát trạng thái ON/OFF của thiết bị điện trong nhà thông qua smartphone, máy tính xách tay kết nối mạng Internet/3G từ bất kỳ vị trí địa lý nào.

Đóng góp kỹ thuật và học thuật tự nêu của đề tài:

  • Đồ án là một trong những công trình tiên phong tại bộ môn ở thời điểm năm 2016 trong việc ứng dụng dòng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M3 (STM32F103) vào bài toán điều khiển thiết bị thực tế, thay thế cho các dòng vi điều khiển 8-bit truyền thống (8051, PIC, AVR) vốn có dung lượng bộ nhớ và năng lực tính toán hạn chế.
  • Cung cấp giải pháp phần cứng và lưu đồ thuật toán đầy đủ về việc nhúng một máy chủ web lên vi điều khiển độc lập kết hợp vi mạch ENC28J60 mà không cần phụ thuộc vào một máy tính PC chạy liên tục làm server trung gian.
  • Tạo ra một mô hình thực nghiệm trực quan, kết hợp giữa điều khiển hiển thị đồ họa tại chỗ (LCD) và điều khiển qua mạng toàn cầu (Internet), đóng vai trò tài liệu kỹ thuật tham khảo cho công tác nghiên cứu smarthome tại nhà trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài theo công bố trong văn bản:

  • Giao diện webserver nhúng trên vi điều khiển còn ở mức đơn giản, tính năng tương tác đồ họa chưa phong phú do hạn chế về dung lượng bộ nhớ lưu trữ mã nguồn HTML trên vi điều khiển.
  • Hệ thống chỉ mới dừng lại ở việc điều khiển đóng cắt (ON/OFF) các thiết bị điện cơ bản (bóng đèn, quạt máy, rơ-le công suất), chưa tích hợp điều khiển các lệnh chức năng phức tạp cho các thiết bị như máy giặt, tivi, máy điều hòa không khí.
  • Khối truyền thông mạng vẫn phải sử dụng kết nối dây cáp Ethernet cố định qua cổng RJ45 của module ENC28J60, chưa tích hợp các module truyền thông không dây hiện đại trực tiếp trên bo điều khiển trung tâm.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:

  • Tối ưu hóa bộ nhớ và nâng cấp giao diện webserver chuyên nghiệp hơn, hỗ trợ tương thích tốt trên nhiều kích thước màn hình thiết bị di động khác nhau.
  • Mở rộng thêm các kênh điều khiển và phát triển thuật toán điều khiển thông minh, cho phép can thiệp sâu vào các thiết bị phức tạp (điều chỉnh tốc độ quạt, nhiệt độ máy lạnh, kịch bản phối hợp nhiều thiết bị).
  • Bổ sung các cảm biến môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, khí gas, chuyển động) để hệ thống có khả năng tự động phản hồi dữ liệu và gửi cảnh báo tự động về webserver khi xảy ra sự cố.

Giá trị tham khảo

Đồ án là nguồn tài liệu hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử – Truyền thông, Kỹ thuật Điện – Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính đang thực hiện các đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp liên quan đến hệ thống nhúng (Embedded Systems) và Internet vạn vật (IoT).
  • Người học và kỹ sư nghiên cứu ứng dụng thực tế dòng vi điều khiển STM32F103 (ARM Cortex-M3), đặc biệt là kỹ thuật cấu hình các thanh ghi ngoại vi GPIO, bảng vector ngắt lồng nhau NVIC, ngắt ngoài EXTI, bộ định thời Timer và giao tiếp truyền thông nối tiếp SPI tốc độ cao.
  • Các nhóm nghiên cứu giải pháp kết nối mạng cho vi điều khiển: Chương II và Chương III cung cấp tài liệu chi tiết về phương pháp ghép nối phần cứng và xây dựng lưu đồ phần mềm điều khiển chip Ethernet ENC28J60, cách thức định dạng gói tin HTTP cho webserver nhúng và các bước thực tế để trỏ cổng mạng nội bộ ra Internet thông qua dịch vụ tên miền động No-IP.
  • Phần thiết kế mạch công suất AC/DC và thiết kế giao diện điều khiển trên màn hình cảm ứng LCD tại Chương III và Chương IV có giá trị tham khảo thực tiễn cho việc thi công mô hình nhà thông minh quy mô phòng thí nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển nào được sử dụng làm bộ xử lý trung tâm trong đồ án và có thông số kỹ thuật ra sao? Hệ thống sử dụng vi điều khiển STM32F103VET6 thuộc họ STM32F1 của hãng STMicroelectronics, phát triển trên nền lõi ARM Cortex-M3 32-bit. Chip hoạt động ở điện áp nguồn 2.6V – 3.6V, tần số xung nhịp tối đa 72 MHz; trang bị bộ nhớ Flash 512 KB, bộ nhớ SRAM 64 KB; có 48 chân bao gồm 37 chân I/O hỗ trợ ngắt ngoài; 2 bộ biến đổi ADC 12-bit quản lý 10 kênh; 12 kênh DMA; 4 bộ định thời Timer (1 Advanced-control và 3 General-purpose); cùng các giao tiếp ngoại vi gồm 3 bộ SPI, 2 bộ I2C, 5 bộ USART, 1 cổng USB và 1 cổng CAN.

2. Module mạng nào được dùng để kết nối Internet và giao tiếp với vi điều khiển bằng chuẩn gì? Hệ thống sử dụng IC điều khiển Ethernet độc lập ENC28J60 của hãng Microchip, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn IEEE 802.3, hoạt động trên giao thức CSMA/CD, tốc độ kênh truyền 10–20 Mbps. Chip ENC28J60 giao tiếp trực tiếp với vi điều khiển STM32F103VET6 thông qua chuẩn nối tiếp SPI (Serial Peripheral Interface) 4 dây (SCK, MOSI, MISO, NSS) với tốc độ xung nhịp hỗ trợ lên đến 20 MHz.

3. Tại sao tác giả lại lựa chọn phương pháp điều khiển qua Internet thay vì các phương thức khác? Dựa trên phân tích ưu nhược điểm tại Bảng 2.1, phương thức Internet có ưu điểm nổi bật là tốc độ truyền dữ liệu nhanh, phạm vi kết nối không giới hạn khoảng cách địa lý (người dùng ở bất kỳ đâu đều có thể giám sát được). Các phương pháp khác bộc lộ nhiều hạn chế đối với mục tiêu của đề tài: Wifi và Bluetooth bị giới hạn phạm vi trong vài mét đến vài chục mét; SMS phụ thuộc vào sóng điện thoại và tốn phí cước cho từng tin nhắn; 3G tốn chi phí thuê bao hàng tháng và tốc độ truyền thực tế thời điểm đó còn hạn chế.

4. Làm thế nào để người dùng ở ngoài mạng nội bộ có thể truy cập được vào webserver nhúng trên vi điều khiển? Tác giả đã triển khai giải pháp kết hợp dịch vụ Dynamic DNS thông qua nhà cung cấp No-IP và kỹ thuật mở cổng (Port Forwarding) trên modem router. Địa chỉ IP nội bộ của module ENC28J60 được gán cố định; modem router được cấu hình để chuyển hướng (forward) cổng dịch vụ web 80 tới địa chỉ IP này. Khi đó, dịch vụ No-IP sẽ tự động đồng bộ địa chỉ IP công cộng (Public IP) của router với tên miền đã đăng ký, cho phép người dùng truy cập webserver từ xa bằng tên miền cố định thông qua trình duyệt trên smartphone hoặc máy tính.

5. Hệ thống trang bị cơ chế bảo mật nào để tránh việc người lạ can thiệp điều khiển thiết bị? Hệ thống được lập trình chức năng xác thực ngay trên trang webserver nhúng. Khi người dùng truy cập vào địa chỉ mạng của ngôi nhà, hệ thống sẽ hiển thị giao diện yêu cầu nhập mật khẩu bảo vệ (password). Chỉ khi người dùng nhập chính xác chuỗi mật khẩu được thiết lập sẵn trong mã nguồn, hệ thống mới cấp quyền điều hướng tới bảng điều khiển hiển thị trạng thái và cho phép bật/tắt các rơ-le thiết bị điện.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng Kit ARM điều khiển thiết bị điện trong nhà" của sinh viên Đặng Tiến Sự và Mai Văn Chiến đã hoàn thành mục tiêu thiết kế và chế tạo một hệ thống tự động hóa gia đình tích hợp. Đề tài khai thác hiệu quả sức mạnh tính toán của vi điều khiển 32-bit STM32F103VET6 kết hợp với chip Ethernet ENC28J60 để triển khai song song hai phương thức điều khiển: trực quan qua màn hình LCD cảm ứng tại chỗ và linh hoạt từ xa thông qua ứng dụng webserver nhúng trên nền Internet. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính thực tiễn cao, đóng góp một mô hình phần cứng - phần mềm hoàn chỉnh làm tài liệu học tập, nghiên cứu hữu ích cho sinh viên khối ngành Điện tử – Viễn thông và Hệ thống nhúng.