Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển thông minh iot trong

1 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THƠNG MINH IOT TRONG
KHU SMARTCAMPUS

APPLYING IOTS ON SMART CAMPUS MODEL

Nguyễn Phước Thái1, Nguyễn Kim Tuấn2, Nguyễn Hữu Tuấn2, Nguyễn Thành Linh3,Trịnh Thanh Tâm3
1Lớp 18ĐT1, 2Lớp 18ĐT2, 3Lớp 17ĐT1, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

GVHD: TS. Nguyễn Thị Khánh Hồng
Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế Abstract - This paper presents the results of researching,
và chế tạo “Ứng dụng IoTs trong xây dựng mơ hình trường học designing and manufacturing "Application of IoTs on smart
thơng minh”. Mơ hình này giúp giám sát và điều khiển việc điểm campus models". This model helps to monitor and control student
danh sinh viên; bật/tắt các thiết bị điện; hệ thống cảnh báo cháy attendance; turn on / off electrical appliances; fire alarm system;
nổ; hệ thống tự động chiếu sáng trong sân vườn; và hệ thống Automatic lighting system in the university yard; and warning
cảnh báo khi di chuyển các thiết bị trong phòng học sử dụng system when moving devices in the classroom using Wifi / 3G /
mạng Wifi/3G/4G. Giải pháp kỹ thuật điều khiển dựa trên các 4G network. Engineering solutions based on technologies are
công nghệ như lập trình ESP32 và ứng dụng kỹ thuật IoTs này such as ESP32 programming and the application of IoTs
giúp quản lý trong khuôn viên trường đại học một cách tối ưu, tiết technology for optimal university management, labor saving, easy
kiệm sức lao động, dễ dàng kiểm soát và điều khiển từ xa remote control.

Từ khóa - IoTs; Smart Campus; Phịng học thơng minh; Điều Key words - Internet of Things; Smart Campus; Smart
khiển thông minh; ESP32 Classroom; Smart Control; Module; ESP32.

1. Đặt vấn đề minh” (Smart Campus), nhằm hướng đến “thành phố
Cuộc cách mạng công nghệ 4.0 hiện nay đang diễn ra thông minh” (Smart City);
 Tăng cường chuyển giao công nghệ từ các kết quả
và phát triển ở nhiều nước trên thế giới, và khái niệm thiết đạt được của các đề tài và hướng đến khởi nghiệp.

bị thông minh, tủ lạnh thông minh, tivi thông minh phát Học tập thơng minh, văn phịng thơng minh, an ninh
triển trên nền tảng IOTs,… được sử dụng rộng rãi trong thông minh, nhận dạng thông minh, dịch vụ quản lí thơng
thế giới cơng nghệ ngày nay, làm vạn vật xung quanh minh, dịch vụ thơng minh quản lí đời sống sinh viên,.. qua
chúng ta khơng cịn là những vật dụng vơ tri vô giác mà đó giúp cho sinh viên và giảng viên được tự do lựa chọn
phần nào sẽ trở thành người bạn đồng hành và giúp ích và phát huy khả năng cũng như tính sáng tạo của bản thân
cho chúng ta trong cuộc sống hiện tại cũng như trong đối với chủ đề mà họ lựa chọn.
tương lai.Với nhu cầu ngày càng cao của con người về sử Với nhu cầu bức thiết của con người và xã hội, dựa
dụng các thiết bị thơng minh, có thể điều khiển 1 chiếc theo những gì đã được học tập và tìm hiểu nhóm chúng
tivi bằng điều hướng bàn tay, giọng nói… Ở Việt Nam đã em quyết định thực hiện đề tài: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ
và đang bắt đầu xây dựng các mơ hình nhà thơng minh, TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THƠNG MINH IOT
thành phố thơng minh, tại Đà Nẵng đã tổ chức cuộc thi về TRONG KHU SMARTCAMPUS”.
“Smart Campus” với đa dạng các chủ đề: học tập thông Đề tài “ Smart Campus” của chúng em được thể hiện
minh, văn phịng thơng minh, an ninh thơng minh, nhận qua các dịch vụ thông minh phục vụ trường đại học, được
dạng thông minh, dịch vụ quản lí thơng minh qua đó giúp xây dựng dựa trên nền tảng phần cứng và phần mềm với
sinh viên tự do phát huy khả năng cũng như tư duy về các công cụ mã nguồn mở và linh hoạt, nhằm phục vụ,tối
“Smart Campus” [1]. ưu hoá các hoạt động dạy, học và quản lý trong trường
học.
“Smart Campus” được thể hiện qua các dịch vụ thông
minh phục vụ trong khuôn viên trường đại học, được xây 2. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mơ hình được
dựng dựa trên nền tảng phần cứng và phần mềm với các 2.1. Nhiệm vụ và chức năng của mô hình chức
công cụ mã nguồn mở và linh hoạt, nhằm phục vụ 03 mục
tiêu chính: Mơ hình điều khiển trường học thông minh
nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoạt động theo các
 Tối ưu hoá các hoạt động dạy, học và quản lý năng như sau:
trong trường, đặc biệt hỗ trợ việc đào tạo đa ngành,
thông qua các dịch vụ tích hợp trên cơng nghệ IoTs; Phịng thí nghiệm:
 Tạo tiền đề triển khai các dự án nghiên cứu phối  Điểm danh(Thẻ ID)
hợp giữa các đối tác giáo dục, chính phủ và doanh  Bật tắt các thiết bị điện
nghiệp, dựa trên IoTs và Trí tuệ nhân tạo để phát triển  Cảnh báo cháy nổ
một nền tảng hợp nhất các giải pháp về phân tích, thiết  Cảnh báo di chuyển các thiết bị thí nghiệm

kế, quản lý, mô phỏng cho một “khuôn viên thông

Nguyễn Phước Thái, Nguyễn Kim Tuấn, Nguyễn Hữu Tuấn. 2

Phòng học ESP32-WROOM-32 [3] là một module với nhiều tính
 Điểm danh(Thẻ ID) năng cải tiến hơn các module dòng ESP8266 khi hỗ trợ
 Bật tắt các thiết bị điện thêm các tính năng Bluetooth và Bluetooth Low Energy
 Cảnh báo cháy nổ (BLE) bên cạnh tính năng WiFi. Sản phẩm sử dụng chip
Sân Trường ESP32-D0WDQ6 với 2 CPU có thể được điều khiển độc
 Điều khiển nhiệt độ và độ ẩm lập với tần số xung clock lên đến 240 MHz.
 Điều khiển hệ thống đèn chiếu sang theo ánh sáng.
2.2. Mơ hình điều khiển Module hỗ trợ các chuẩn giao tiếp SPI, UART, I2C và
I2S và có khả năng kết nối với nhiều ngoại vi như các
cảm biến, các bộ khuếch đại, thẻ nhớ (SD card)…

Ở chế độ sleep dòng điện hoạt động là 5 µA nên thích
hợp cho các ứng dụng dùng pin như các thiết bị điện tử
đeo tay. Ngồi ra module cịn hỗ trợ cập nhật firmware từ
xa (OTA) do đó người dùng vẫn có thể có những bản cập
nhật mới nhất của sản phẩm.

Hình 1: Nguyên lý hoạt động của mơ hình điều khiển
trường học thơng minh

Sử dụng Module ESP32 tích hợp sẵn kết nối Wi-Fi và
Bluetooth, thông qua các sensor sử dụng mạng Wi-Fi để
kết nối và truyền dữ liệu nhiệt độ, dộ sáng, độ dịch
chuyển đồ vật [2].

Sever: lưu thông tin điểm danh học sinh/sinh viên

trong các buổi học thể hiện theo dạng danh sách mà giáo
viên có thể dễ dàng quản lý được.

Hình 2: Sơ đồ khối của mơ hình Hình 3: Module Wifi ESP32 - WROOM.
2.2.1. Quản lý chiếu sáng
Hệ thống chiếu sáng của nhà trường được bố trí rất Các thơng số kỹ thuật:
nhiều trong các phịng học cũng như sân trường. Do đó,
việc quản lý và điều khiển bật tắt các thiết bị trở nên mất Bật tắt các thiết bị điện
nhiều thời gian. Trong đề tài nghiên cứu này, cảm biến
chuyển động và cảm biến ánh sáng được sử dụng để có  Kích thước: 18 mm x 20 mm x 3 mm
thể tự động hóa cho cơng việc này.  CPU: Xtensa Dual-Core 32-bit LX6 với tần số
2.2.2. Quản lý nhiệt độ và độ ẩm hoạt động lên đến 240 MHz
Hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt độ và độ ảm để có  Bộ nhớ trong:
thể lấy được mức nhiệt độ và độ ẩm của khuông viên nhà
trường và hiển thị màn hình LCD 128 *64. + 448 KBytes ROM cho booting và các tính năng
2.3. Thiết kế và chế tạo mơ hình của lõi chip.
2.3.1. Khối mạng Wifi/3G + 520 KBytes SRAM trên chip dùng cho dữ liệu
và các lệnh instruction.
+ 8 KBytes SRAM trong RTC (gọi là RTC
SLOW Memory) để truy xuất bởi các bộ co-
processor.
+ 8 KBytes SRAM trong RTC (gọi là RTC FAST
Memory) dùng cho lữu dữ liệu, truy xuất bởi CPU
khi RTC đang boot từ chế độ Deep-sleep.
+ 1 Kbit EFUSE, với 256 bit cho hệ thống (địa
chỉ MAC và cấu hình chip), 768 còn lại cho ứng
dụng người dùng, gồm cả mã hóa bộ nhớ Flash và
định ID cho chip.
 Kết nối WiFi:
+ Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i

3 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

+ Bluetooth: BR/EDR phiên bản v4.2 và BLE Hình 6: Demo cánh báo khi di chuyển thiết bị
 Ethernet MAC hỗ trợ chuẩn: DMA và IEEE 1588 Ở đây, sử dụng cảm biến tiệm cận để phát hiện sự di
 Bus hỗ trợ mang CAN 2.0 chuyển của thiết bị và cảnh báo qua còi hú Buzz.
 Giao tiếp ngoại vi:
3. Kết quả và thảo luận
+ Bộ chuyển đổi ADC 12 bit, 16 kênh Hệ thống đã đạt được các tiêu chí như đã đề ra của
+ Bộ chuyển đổi 8-bits DAC: 2 kênh nhóm. Hoạt động với mức độ chính xác và ổn định 90-
+ 10 chân để giao tiếp với cảm biến chạm (touch 95%. Tuy nhiên mơ hình hệ thống cịn nhiều vấn đề cần
sensor) cải thiện hơn ví dụ: tính thẩm mỹ của mơ hình, quy mơ
+ IR (TX/RX) của mơ hình cũng như dễ dàng vận chuyển…
+ Ngõ ra PWM cho điều khiển Motor Hệ thống sử dụng Module ESP 32 – WROOM giúp ta
+ LED PWM: 16 kênh có thể truy cập dữ liệu thông qua Webserver để quản lý và
+ Cảm biến Hall hiển thị dữ liệu
+ Cảm biến nhiệt độ
+ 4 X SPI
+ 2 X I²S
+ 2 X I²C
+ 3 X UART
 Nhiệt độ hoat động ổn định: -40C đến 85C
 Điện áp hoạt động: 2.2-3.6V
 Dòng tiêu thụ ổn định: 80mA

2.3.2. Các hình ảnh của mơ hình

Hình 7: Mơ hình thiết kế trường học thơng minh
Một số hình ảnh sơ đồ mạch nguyên lý của các khối
điều khiển:

Hình 4: Demo bật / tắt hế thống đèn
Sử dụng cảm biến ánh sáng để có thể bật/tắt hệ thống
chiếu sáng tại sân trường.

Hình 5: Demo cảnh báo cháy
Sử dụng cảm biến lửa để phát hiện cháy và cảnh báo
qua còi hú Buzz.

Hình 8: Sơ đồ mạch của hệ thống trường học thông minh

Nguyễn Phước Thái, Nguyễn Kim Tuấn, Nguyễn Hữu Tuấn. 4

động, cảm biến lửa và cảm biến nhiệt độ và độ ẩm.

Hình 9: Sơ đồ mạch của cảm biến PIR trong việc điều khiển 4. Kết luận
bật tắt hệ thống đèn chiếu sáng trong phòng Bài báo đã trình bày kết quả nghiên cứu “THIẾT KẾ
VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THƠNG MINH
Hình 10: Sơ đồ mạch của khối điều khiển điểm danh tự IOT TRONG KHU SMARTCAMPUS ”. Mơ hình đã
được thi cơng hồn tất các mục tiêu đề ra, cơ cấu hoạt
động tốt, nhận tín hiệu và xử lý các trường hợp khá ổn
định. Từ mơ hình này có thể xây dựng được nhiều ứng
dụng có ý nghĩa thực tiễn cao, có khả năng phát triển và
mở rộng. Đây là sản phẩm thực tế, có thể áp dụng triển
khai tại các trường học.
Tuy nhiên, các ứng dụng đòi hỏi nhiều kiến thức về
các lĩnh vực khác như phần cứng, phần mềm, mạng máy
tính ở một trình độ cao hơn. Do đó, trong khuôn khổ đề
tài này vẫn còn nhiều vấn đề tồn tại và cần có thời gian để
hoàn thiện, nâng cấp trong tương lai.

Lời cảm ơn
Chúng em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thị
Khánh Hồng, Phó Trưởng phịng Phịng Quản lý Khoa
học và Hợp tác Quốc tế, giảng viên khoa Điên – Điện Tử,
trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật – Đại học Đà Nẵng,
đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất để em có thể
hoàn thành được đề tài nghiên cứu này theo đúng thời
gian dự kiến.
“Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa
học và công nghệ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật –
Đại học Đà Nẵng trong đề tài có mã số SV 2020-206”

Tài liệu tham khảo

[1] /> thanh-pho-thong-minh-3176419/index.htm

[2] />
[3] />