Quản Lý Lớp Học Thông Minh IoT: Khóa Luận Tốt Nghiệp và Giải Pháp Tối Ưu

ĐẠI HỌC KINH TẾ QUỐC DÂN TRƯỜNG CÔNG NGHỆ

2 0 2 4

.

2

----------------

K H O A H Ọ C M Á Y T Í N H

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Xây dựng hệ thống quản lý lớp học thông minh dựa trên Internet of Things

: Hà Minh Hiếu

Tên sinh viên Giảng viên hướng dẫn : Phạm Minh Hoàn

H À M I N H H

I Ế U

1 1 2 1 2 2 2 7

Hà Nội, 5/2025

ĐẠI HỌC KINH TẾ QUỐC DÂN TRƯỜNG CÔNG NGHỆ ----------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Xây dựng hệ thống quản lý lớp học thông minh dựa trên Internet of Things

: Hà Minh Hiếu : 11212227 : Khoa học máy tính K63 : Khoa học máy tính : Công nghệ thông tin

Tên sinh viên Mã sinh viên Lớp Ngành Khoa Giảng viên hướng dẫn : Phạm Minh Hoàn

(Chữ ký GVHD)

Hà Nội, 5/2025

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... iii LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................... v DANH MỤC BẢNG, BIỂU ĐỒ ......................................................................... vi DANH MỤC HÌNH ............................................................................................vii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ........................................................... 2 1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................... 2 1.2. Thực trạng mô hình lớp học thông minh ..................................................... 3 1.3 Bài toán cần giải quyết .................................................................................. 4 1.4. Mục tiêu của đề tài ....................................................................................... 5 1.5. Phạm vi của đề tài ........................................................................................ 5 1.6. Nội dung nghiên cứu của đề tài.................................................................... 5 1.6.1. Quy trình nghiên cứu ............................................................................. 5 1.6.2. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................... 7 2.1. Tổng quan về IoT ......................................................................................... 7 2.1.1. Khái niệm .............................................................................................. 7 2.1.2. Cấu trúc của một hệ thống IoT .............................................................. 7 2.1.3. Ưu nhược điểm của IoT ......................................................................... 8 2.1.4. Ứng dụng của Iot ................................................................................... 9 2.2. Định nghĩa lớp học thông minh ................................................................. 10 2.2.1. Khái niệm: ........................................................................................... 10 2.2.2. Ưu nhược điểm chính của mô hình lớp học thông minh ..................... 10 2.3. Tổng quan về hệ thống ............................................................................... 11 2.3.1. Điểm danh sinh viên ............................................................................ 11 2.3.2. Điều khiển và quản lý các thiết bị điện ............................................... 12 2.4. Tổng quan về công nghệ hệ thống ............................................................. 12 2.4.1. ARDUINO IDE ................................................................................... 12 2.4.2. Vi xử lý ESP32 Devkit V1 .................................................................. 13 2.4.3. Module cảm biến thẻ RFID – RC522 .................................................. 15

2.4.4. Module cảm biến nhiệt độ DHT11 ...................................................... 17 2.4.5. Module thu/phát tín hiệu IR ................................................................ 20 2.4.6. Module cảm biến chuyển động PIR HC – SR501 ............................... 21 2.4.7. Module Relay 5V ................................................................................ 22

2.4.8. Blynk ................................................................................................... 24

2.4.9. Google App Script ............................................................................... 25 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG .............................. 26 3.1. Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống ............................................................... 26 3.1.1. Khối vi xử lý ........................................................................................ 26 3.1.2. Khối cảm biến ...................................................................................... 27 3.1.3. Khối RFID ........................................................................................... 27 3.1.4. Khối điều khiển ................................................................................... 28 3.1.5. App điều khiển .................................................................................... 28 3.1.6. Khổi nguồn .......................................................................................... 29 3.2. Thiết kế phần cứng và kết nối .................................................................... 29 3.2.1. Module DHT11 ................................................................................... 29

3.2.2. Module HC-SR501 .............................................................................. 30

3.2.3. Module RFID RC522 .......................................................................... 31

3.2.4. Module thu/phát IR .............................................................................. 32

3.2.5. Relay 5V .............................................................................................. 33 3.3. Thiết kế thuật toán và phần mềm ............................................................... 35 3.3.1. Module DHT11 và module RFID ........................................................ 35 3.3.2. Module cảm biến chuyển động HC-SR501 ......................................... 36 3.3.3. App điều khiển (Blynk) ....................................................................... 37 CHƯƠNG 4. KIỂM THỬ VÀ ĐÁNH GIÁ ..................................................... 42 4.1. Kiểm thử..................................................................................................... 42 4.2 Đánh giá ...................................................................................................... 44 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 48

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan rằng đề tài tốt nghiệp này là kết quả của quá trình nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, trung thực và độc lập dưới sự hướng dẫn của thầy cô. Các nội dung, số liệu và kết quả trình bày trong đồ án là hoàn toàn chính xác và chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác.

Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và khách quan của kết quả nghiên cứu, đồng thời cam kết không có hành vi sao chép hay sử dụng kết quả từ bất kỳ nguồn tài liệu nào mà không được trích dẫn đầy đủ. Nếu phát hiện bất kỳ sự gian lận nào, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước nhà trường và pháp luật.

Em xin cam đoan!

iii

Hà nội, ngày tháng năm 20 Sinh viên

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp này, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ và hỗ trợ nhiệt tình từ các thầy cô, các anh chị đi trước cũng như bạn bè và gia đình. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến những người đã luôn bên cạnh và tạo điều kiện thuận lợi nhất để em có thể hoàn thành tốt chuyên đề.

Đặc biệt, em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn Phạm Minh Hoàn đã dành nhiều thời gian, tận tình hướng dẫn và động viên em trong từng bước nghiên cứu và thực hiện đề tài. Những ý kiến đóng góp quý báu của thầy đã giúp em vượt qua những khó khăn, hoàn thiện nội dung nghiên cứu một cách tốt nhất.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong khoa Công nghệ thông tin cùng các bạn bè đã hỗ trợ, trao đổi kiến thức và kinh nghiệm quý giá giúp em hoàn thiện đề tài một cách hiệu quả.

Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình đã luôn là điểm tựa tinh thần vững chắc, động viên và cổ vũ em trong suốt hành trình học tập và nghiên cứu vừa qua.

Em xin chân thành cảm ơn!

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

IoT Ý nghĩa Mạng lưới vạn vật (Internet of Things)

RFID Nhận dạng bằng tần số vô tuyến (Radio Frequency Identification)

IR Hồng ngoại (Infrared)

DANH MỤC BẢNG, BIỂU ĐỒ

Bảng 3.1: Cách nối chân DHT11 ...................................................................... 27 Bảng 3.2: Cách nối chân HC-SR501 ................................................................ 28 Bảng 3.3: Cách nối chân RC522 ....................................................................... 29 Bảng 3.4: Cách nối chân module IR ................................................................. 30 Bảng 3.5: Cách nối chân Relay 5V ................................................................... 31 Bảng 4.1: Kiểm thử chức năng ......................................................................... 43 Bảng 4.2: Tình huống kiểm thử module DHT11 .............................................. 44 Bảng 4.3: Tình huống kiểm thử module phát IR .............................................. 45

DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Mô hình lớp học thông minh ............................................................... 8 Hình 2.2: Giao diện Arduino IDE ..................................................................... 11 Hình 2.3: Sơ đồ 30 chân ESP32 Devkit V1 ...................................................... 12 Hình 2.4: Sơ đồ chân RFID – RC522 ............................................................... 14 Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động RC522 ............................................................. 15 Hình 2.6: Sơ đồ chân DHT11 ........................................................................... 16 Hình 2.7: Nguyên lý đo nhiệt độ ....................................................................... 16 Hình 2.8: Nguyên lý đo độ ẩm .......................................................................... 17 Hình 2.9: Sơ đồ chân đầu thu tín hiệu ............................................................... 18 Hình 2.10: Sơ đồ chân đầu phát tín hiệu ........................................................... 18 Hình 2.11: Cảm biến HC-SR501 ...................................................................... 19 Hình 2.12: Sơ đồ Relay 1 kênh ......................................................................... 21 Hình 2.13: Cấu tạo lõi relay .............................................................................. 22 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống .......................................................................... 24 Hình 3.2: Sơ đồ nối DHT11 .............................................................................. 28 Hình 3.3: Sơ đồ nối HC-SR501 ........................................................................ 29 Hình 3.4: Sơ đồ nối RC522 ............................................................................... 30 Hình 3.5 Sơ đồ nối module IR .......................................................................... 31 Hình 3.6: Sơ đồ nối Relay 5V ........................................................................... 32 Hình 3.7: Lưu đồ thuật toán module DHT11 và RFID ..................................... 35 Hình 3.8: Lưu đồ thuật toán module HC-SR501 .............................................. 36 Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán app điều khiển Blynk ........................................... 37 Hình 3.10: Giao diện Blynk .............................................................................. 39 Hình 3.11: Form tạo Template .......................................................................... 39 Hình 3.12: Các luồng dữ liệu của hệ thống ....................................................... 40 Hình 3.13: Giao diện người dùng...................................................................... 41 Hình 3.14: Giao diện chung Templat ................................................................ 41 Hình 3.15: Giao diện thiết bị ............................................................................. 42 Hình 4.1: Mô hình hệ thống thực tế .................................................................. 43 Hình 4.2: Giá trị đo hiển thị trên Serial Monitor .............................................. 45 Hình 4.3: Giá trị đo hiển thị trên Blynk ............................................................ 46

vii

MỞ ĐẦU

Trong thời đại công nghệ 4.0 hiện nay, sự bùng nổ của các công nghệ mới như Trí tuệ nhân tạo, Internet vạn vật, Big Data hay như các nền tảng đám mây đang làm thay đổi toàn diện cách con người sinh sống, làm việc và học tập. Trong đó, giáo dục là một trong những lĩnh vực có tác động rõ rệt và sâu sắc bởi làn sóng công nghệ này. Việc ứng dụng các hệ thống thông minh và công tác giảng dạy, quản lý lớp học không chỉ góp phần hiện đại hóa hạ tầng giáo dục mà còn giúp nâng cao chất lượng đào tạo, tiết kiệm nguồn lực và tối ưu hóa quy trình vận hành.

Trước đây, việc quản lý lớp học và các quy trình trong hoạt động giảng dạy vẫn thường được thực hiện hoàn toàn thủ công, phụ thuộc vào con người với các công cụ truyền thống. Điều này đôi khi làm tốn thời gian hay làm gián đoạn hoạt động giảng dạy trong các tiết học. Với sự phát triển mạnh mẽ của Internet of Things và các công nghệ hiện đại khác, hệ thống lớp học thông minh không chỉ giúp giáo viên tiết kiệm thời gian, giảm tải công việc mà còn góp phần hiện đại hóa giáo dục, nâng cao chất lượng dạy và học. Tuy nhiên, thực tiễn hiện nay cho thấy hầu hết các cơ sở giáo dục tại Việt Nam vẫn còn gặp nhiều khó khăn trong việc tiếp cận và triển khai các mô hình lớp học thông minh.

Xuất phát từ điều đó, cùng với mong muốn xây dựng một hệ thống có tính ứng dụng thực tế cao, chi phí thấp và dễ triển khai, em quyết định lựa chọn đề tài “Xây dựng hệ thống quản lý lớp học thông minh dựa trên Internet of Things” để làm khóa luận tốt nghiệp của mình.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1. Đặt vấn đề

Trong thời đại chuyển đổi số đang diễn ra mạnh mẽ, việc ứng dụng công nghệ vào các lĩnh vực truyền thống không còn là xu hướng mà đã trở thành một nhu cầu tất yếu. Giáo dục – với vai trò là nền tảng phát triển của xã hội – đang đứng trước yêu cầu cấp bách phải thay đổi phương thức tổ chức, quản lý và giảng dạy để thích nghi với xu thế số hóa toàn cầu. Một trong những giải pháp công nghệ nổi bật, mang lại nhiều tiềm năng trong lĩnh vực này chính là Internet of Things (IoT) – mạng lưới các thiết bị vật lý được kết nối với nhau qua Internet nhằm thu thập, phân tích và xử lý dữ liệu một cách tự động và liên tục.

IoT cho phép các thiết bị vật lý như cảm biến, vi điều khiển, thiết bị điện tử… tương tác, thu thập và xử lý dữ liệu theo thời gian thực mà không cần can thiệp trực tiếp từ con người. Trong môi trường giáo dục, khả năng này mang lại tiềm năng lớn trong việc xây dựng các hệ thống quản lý lớp học thông minh, nơi mà nhiều thao tác vốn dĩ mang tính lặp lại hoặc phụ thuộc vào yếu tố con người có thể được tự động hóa một cách chính xác và hiệu quả.

Việc tích hợp IoT vào môi trường học tập không chỉ là một bước tiến kỹ thuật mà còn là một bước chuyển nhận thức trong cách giáo dục được tổ chức và vận hành. Trong một lớp học truyền thống, các công việc như điểm danh sinh viên, điều khiển thiết bị điện, giám sát điều kiện phòng học... thường được thực hiện thủ công, tiêu tốn nhiều thời gian và dễ xảy ra sai sót. IoT có thể giúp tự động hóa các tác vụ này và nhờ đó, giáo viên có thể tập trung nhiều hơn vào nội dung giảng dạy thay vì các thao tác quản lý vụn vặt, trong khi nhà trường cũng có thể dễ dàng theo dõi và đánh giá hoạt động học tập một cách khách quan và hiệu quả hơn.

Không chỉ dừng lại ở việc tiết kiệm thời gian, ứng dụng IoT trong lớp học còn mang lại nhiều giá trị gia tăng quan trọng như: nâng cao tính chính xác và minh bạch trong điểm danh và giám sát, cải thiện môi trường học tập thông qua các cảm biến, tăng cường khả năng điều khiển thiết bị từ xa một cách linh hoạt, đồng thời mở ra khả năng mở rộng mô hình quản lý lớp học thông minh trong tương lai mà không đòi hỏi quá nhiều chi phí hay nhân lực kỹ thuật.

Ngoài ra, IoT còn cho phép tích hợp dễ dàng với các hệ thống khác như cơ sở dữ liệu trường học, ứng dụng điều khiển từ xa hoặc nền tảng học tập trực tuyến, góp phần hình thành một hệ thống quản lý lớp học toàn diện, đồng bộ và có khả năng mở rộng cao. Tính linh hoạt trong triển khai, khả năng tùy biến theo nhu cầu thực tiễn cũng là một ưu điểm lớn giúp IoT trở thành lựa chọn phù hợp trong việc nâng cao chất lượng và hiệu quả quản lý lớp học trong thời đại số.

Từ góc nhìn đó, có thể khẳng định rằng việc nghiên cứu và phát triển các mô hình lớp học thông minh ứng dụng IoT là một hướng đi tiềm năng, mang tính chiến lược trong hành trình hiện đại hóa giáo dục. Đây cũng chính là nền tảng lý luận và cơ sở để đề tài này được hình thành và triển khai.

1.2. Thực trạng mô hình lớp học thông minh Trong quá trình nghiên cứu và tìm hiểu, em đã tiến hành khảo sát thực tế tại một số trường đại học, cao đẳng và trung học phổ thông trên địa bàn Hà Nội và Hải Phòng. Qua khảo sát cho thấy, phần lớn các cơ sở giáo dục vẫn đang duy trì mô hình quản lý lớp học theo phương thức truyền thống, tức là giáo viên đảm nhiệm gần như toàn bộ quy trình trong lớp học, giám sát và điều khiển các thiết bị trong phòng học một cách thủ công. Các thao tác như bật/tắt đèn, máy chiếu, điều hòa hay điểm danh sinh viên thường được thực hiện thông qua công tắc điện hoặc remote và sổ điểm danh giấy. Điều này không chỉ làm mất thời gian mà còn dễ xảy ra sai sót, nhầm lẫn và ảnh hưởng đến chất lượng giảng dạy. Hiện tại, có một số trường học đã tiên phong áp dụng các giải pháp công nghệ nhằm nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập tại Hà Nội và Hải Phòng như:

Trường Tiểu học Chu Văn An (Hà Nội) đã thí điểm mô hình "Lớp học thông minh" trong hai năm, tích hợp thiết bị máy tính bảng cho học sinh và nội dung bài giảng số hóa, mang lại trải nghiệm học tập mới mẻ và hiệu quả.

Trường Đại học Phenikaa kết hợp với PHX Smart School triển khai lớp học thông minh với các thiết bị hiện đại như bảng trắng kỹ thuật số, máy chiếu tương tác, hệ thống chiếu sáng – âm thanh 360 độ, cùng với bàn ghế linh hoạt giúp tối ưu không gian giảng dạy.

Trường Quốc tế Westlink (Hà Nội) áp dụng mô hình lớp học tích hợp công nghệ điều khiển từ xa, nền tảng học tập số và bảng tương tác nhằm cá nhân hóa trải nghiệm học tập và nâng cao khả năng quản lý lớp học một cách khoa học Trường THPT Lương Thế Vinh đã xây dựng ba phòng học thông minh và một phòng học STEM, ứng dụng công nghệ thực tế ảo vào giảng dạy các môn học, giúp học sinh tiếp cận kiến thức một cách trực quan và sinh động.

Trường Tiểu học Kiền Bái (huyện Thủy Nguyên) đã xây dựng hai phòng học thông minh và một phòng STEM, trang bị các thiết bị hiện đại như tivi tương tác, bàn ghế thông minh, góp phần nâng cao hiệu quả giảng dạy và học tập.

Tuy nhiên, đa số các hệ thống này có chi phí đầu tư ban đầu cao, yêu cầu hạ tầng công nghệ đồng bộ và nhân lực kỹ thuật có trình độ để vận hành, bảo trì. Việc triển khai cũng thường phức tạp, đòi hỏi thời gian lắp đặt và đào tạo sử dụng tương đối dài. Ngoài ra, các sản phẩm lớp học thông minh được thương mại hóa chủ yếu do các công ty công nghệ lớn cung cấp dưới dạng giải pháp trọn gói. Tuy nhiên, các giải pháp này thường thiếu tính tùy biến, không phù hợp với nhu cầu đặc thù của từng cơ sở giáo dục nhỏ lẻ hoặc những trường học có ngân sách hạn chế. Trong nhiều trường hợp, các hệ thống sau một thời gian sử dụng không được bảo trì đầy đủ dẫn đến xuống cấp, gây lãng phí nguồn lực đã đầu tư ban đầu

Từ những đánh giá đó, có thể rút ra rằng: tuy lớp học thông minh là một xu hướng tất yếu trong giáo dục hiện đại, nhưng các mô hình hiện tại chưa thực sự phổ cập và phù hợp với phần lớn cơ sở giáo dục ở Việt Nam. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển những giải pháp mới có tính linh hoạt, chi phí thấp, dễ triển khai và dễ vận hành hơn.

1.3 Bài toán cần giải quyết Từ việc tìm hiểu và khảo sát các mô hình đã có, em có thể thấy rằng phần lớn hệ thống lớp học thông minh hiện nay đều hướng tới việc tích hợp toàn diện công nghệ vào giảng dạy và quản lý, với quy mô lớn và cấu trúc phức tạp. Trong khi đó, một khía cạnh lại ít được tập trung hơn nhưng đóng vai trò thiết thực trong thực tiễn, đó là việc tự động hóa từng hoạt động cụ thể trong lớp học như điểm danh, điều khiển thiết bị điện, theo dõi môi trường giảng dạy một cách đơn giản, tiết kiệm và dễ triển khai. Công việc quản lý lớp học theo cách thủ công vẫn luôn có nhiều bất cập, đặc biệt là những lúc đầu giờ. Việc điểm danh học sinh thủ công gây mất thời gian, đặc biệt ở các lớp có số lượng học sinh đông làm ảnh hưởng đến thời lượng giảng dạy và học tập trên lớp. Quá trình điểm danh thủ công cũng rất dễ xảy ra sai sót như bỏ sót tên sinh viên, nhầm lẫn giữa các sinh viên với nhau, hay thậm chí sinh viên còn có thể dễ dàng gian lận bằng cách nhờ bạn bè điểm danh miệng hộ.

Bên cạnh đó, việc quản lý và sử dụng các thiết bị điện như đèn chiếu sáng, quạt, máy chiếu, điều hòa… trong lớp học cũng vẫn đang được làm thủ công. Nghĩa là giảng viên và sinh viên thao tác phụ thuộc vào các công tắc cố định hay các thiết bị điều khiển remote, điều này gây nên một số bất cập. Tình trạng quên tắt các thiết bị điện sau khi hết giờ học diễn ra rất phổ biến dẫn đến lãng phí điện năng không cần thiết. Đặc biệt tại các cơ sở giáo dục lớn thì việc thiết bị trình chiếu, thiết bị âm thanh… cần phải có điều khiển của các thiết bị đó, khi đó giảng viên hoặc sinh viên sẽ phải đi lấy từ phòng quản lý, gây mất thời gian đầu giờ chưa kể những khả năng thất lạc, mất hoặc hư hỏng, làm ảnh hưởng đến tiết học vì không sử dụng được các thiết bị cần thiết.

Chính vì vậy, mục tiêu nghiên cứu ở đây không nằm ở việc tạo ra một mô hình lớp học mới toàn diện, mà là chưa có nhiều giải pháp nhỏ gọn, có thể triển khai độc lập để hỗ trợ giáo viên thực hiện các thao tác thường ngày một cách thông minh và hiệu quả. Việc này không chỉ giúp giảm gánh nặng trong vận hành lớp học, mà còn góp phần làm tăng tính chính xác, tiết kiệm thời gian và tạo điều kiện để giáo viên tập trung vào hoạt động giảng dạy chuyên môn.

Đề tài được định hướng theo hướng mô phỏng một hệ thống hỗ trợ quản lý lớp học ở cấp độ tối giản, dựa trên nền tảng công nghệ Internet of Things (IoT). Thay vì cố gắng bao phủ toàn bộ lớp học như các hệ thống cao cấp, mô hình này chỉ tập trung vào một số tác vụ thường gặp trong lớp học truyền thống nhằm bổ sung cho các giải pháp đã có và đồng thời có thể là một mô hình độc lập hỗ trợ giáo viên trong quá trình lên lớp.

Bên cạnh tính thực tiễn, đề tài cũng có ý nghĩa về mặt học thuật khi kết hợp nhiều công nghệ cơ bản của IoT (kết nối cảm biến, điều khiển thiết bị, truyền dữ liệu thời gian thực) để giải quyết một bài toán cụ thể. Mô hình đề xuất có khả năng triển khai trong thực tế tại các trường phổ thông hoặc đại học có điều kiện giới hạn, đồng thời cũng có thể phát triển thành nền tảng tích hợp với các hệ thống lớn hơn trong tương lai.

Đề tài được triển khai để xây dựng một hệ thống quản lý lớp học nhằm giải

1.4. Mục tiêu của đề tài quyết các vấn đề và hỗ trợ giảng viên như sau:

Nâng cao hiệu quả quản lý điểm danh đầu giờ: Thay vì sử dụng phương pháp truyền thống gây mất thời gian và dễ gian lận. Hệ thống sử dụng thẻ từ RFID giúp ghi nhận thông tin sinh viên một cách tự động và nhanh chóng.

Tối ưu hóa quy trình quản lý thiết bị điện: Hệ thống sẽ tự động bật/tắt các thiết bị như đèn, quạt, máy chiếu dựa trên lịch học thực tế, giúp tiết kiệm điện năng và giảm thiểu sự lãng phí tài nguyên. Giảng viên đồng thời có thể điều khiển thiết bị thủ công thông qua App.

Để thực hiện đề tài này, em đã lập lên một quy trình nghiên cứu bao gồm

Giám sát môi trường và điều khiển thiết bị lớp từ xa: Với việc sử dụng nền tảng Blynk, giảng viên có thể theo dõi môi trường lớp học như nhiệt độ, độ ẩm không khí… và quản lý trạng thái thiết bị trong lớp cũng như điều khiển các thiết bị đó thông qua ứng dụng di động giúp nâng cao tính tiện lợi và linh hoạt. 1.5. Phạm vi của đề tài Đề tài tập trung vào việc mô phỏng nguyên lý hoạt động và tính khả thi của hệ thống quản lý lớp học thông minh trong một mô hình IoT nhỏ, có thể áp dụng cho một phòng học. Phạm vi triển khai đề tài sẽ không bao gồm các yếu tố phức tạp như kết nối với hệ thống thông tin của trường, hay lắp đặt thực tế trong phòng học. Tuy nhiên, hệ thống sẽ được thiết kế với tính linh hoạt cao, có thể mở rộng hoặc nâng cấp để áp dụng trong thực tế. 1.6. Nội dung nghiên cứu của đề tài 1.6.1. Quy trình nghiên cứu các công việc theo thứ tự như sau: Khảo sát thực tế tại các cơ sở giáo dục, tìm hiểu thực trạng về quy trình, cách thức quản lý lớp học của các cơ sở đó. Xác định những vấn đề bất cập và những nhu cầu thực tế cần được cải thiện. Từ đó em có thể phân tích, xây dựng yêu cầu của hệ thống để có thể đưa ra giải pháp phù hợp. Sau khi đã phân tích rõ chức năng của hệ thống, em chuyển sang thiết kế hệ thống: Xây dựng sơ đồ mô tả các thành phần hệ thống và mối quan hệ của chúng. Nghiên cứu lý thuyết các công nghệ liên quan đến đề tài và lựa chọn thiết bị phần cứng, phần mềm. Thiết kế sơ đồ nguyên lý chi tiết, lường xử lý thuật toán cho từng mạch điều khiển. Khi đã thiết kế hệ thống xong, em tiến hành cài đặt phần cứng và phần mềm: Lắp ráp, đấu nối và viết mã nguồn cho từng linh kiện một đồng thời kiểm tra sơ bộ và hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác và ổn định. Tích hợp hệ thống quản lý thông qua ứng dụng điều khiển. Cuối cùng là thử nghiệm tổng thể và đánh giá hệ thống

1.6.2. Đối tượng nghiên cứu

 Bộ vi điều khiển ESP32  Module Relay 5V để bật tắt các thiết bị điện  Module đọc thẻ RFID để điểm danh bằng thẻ RFID  Module cảm biến nhiệt độ DH11 để theo dõi nhiệt độ lớp học  Module thu/phát tín hiệu hồng ngoại  Module cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC-SR501  Phần mềm Blynk để theo dõi và điều khiển thiết bị từ xa  Arduino IDE  Google App Script

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Tổng quan về IoT 2.1.1. Khái niệm Internet of Things (IoT) có thể hiểu là một mô hình mạng lưới kết nối các thiết bị vật lý thông minh và công nghệ để tạo điều kiện thuật lợi cho hoạt động giao tiếp với nhau thông qua Internet, cho phép chúng thu thập, trao đổi và xử lý dữ liệu một cách tự động. Các thiết bị IoT có thể là đối tượng được trang bị cảm biến để thu thập thông tin về môi trường xung quanh, máy tính, bộ điều khiển để nhận và xử lý dữ liệu, sau đó tự động tương tác với các thiết bị khác. 2.1.2. Cấu trúc của một hệ thống IoT Một hệ thống IoT thông thường hoạt động dựa trên cơ chế thu thập, xử lý và trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị thông minh và hệ thống phần mềm quản lý qua đó hỗ trợ con người trong việc tự động hóa, giám sát hoặc ra quyết định. Hoạt động của hệ thống IoT diễn ra theo thời gian thực và thường được tổ chức thông qua ba thành phần chính bao gồm: Thiết bị thông minh, ứng dụng IoT và giao diện người dùng.

Thiết bị thông minh là thành phần cốt lõi, đóng vai trò trực tiếp trong việc thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh hoặc từ người dùng. Các thiết bị này có thể là các cảm biến đơn giản như nhiệt độ, độ ẩm, chuyển động, ánh sáng hoặc các thiết bị điện tử phức tạp hơn như camera giám sát, máy lạnh, tivi, thiết bị gia dụng… Các dữ liệu thu thập được sẽ liên tục được gửi đi để xử lý và nhận về các lệnh điều khiển từ hệ thống IoT để thực hiện các hành động theo yêu cầu. Ứng dụng IoT là nền tảng phần mềm được xây dựng để tiếp nhận, lưu trữ, xử lý và phân tích dữ liệu thu thập được từ các thiết bị IoT. Ứng dụng này đóng vai trò như “bộ não” của hệ thống, chiu trách nhiệm xử lý khối lượng lớn dữ liệu được gửi về từ các thiết bị, sử dụng thuật toán phân tích, các mô hình học máy hoặc trí tuệ nhân tạo để đưa ra các quyết định theo mục đích sử dụng. Ứng dụng tích hợp học máy hay trí tuệ nhân tạo có thể “học tập” từ thói quen người dùng để tối ưu hóa tự động hóa, giúp nâng cao trải nghiệm và hiệu quả sử dụng. Giao diện người dùng là thành phần trung gian giữa con người tương tác trực tiếp với hệ thống IoT. Các hệ thống này thường được phát triển dưới dạng các ứng dụng di động, phần mềm máy tính hoặc các trang web trực tuyến. Thông qua các giao diện này, người dùng có thể dễ dàng đăng ký thiết bị, theo dõi hoạt động, giao tiếp và tương tác với các thiết bị trong hệ thống. Thông thường, một hệ thống IoT sẽ hoạt động theo một chu trình bắt đầu từ việc các thiết bị thông minh thu thập dữ liệu từ môi trường hoặc từ hành động người dùng. Dữ liệu đó được truyền qua các giao thức mạng như (Wifi, Bluetooth…) tới ứng dụng IoT. Ứng dụng IoT tiếp nhận dữ liệu sau đó xử lý và phần tích dựa trên các thuật toán rồi đưa ra các quyết định hoặc lệnh điều khiển. Các quyết định được gửi ngược lại thiết bị hoặc hiển thị lên giao diện người dùng. Người dùng có thể theo dõi, nhận cảnh báo hoặc chủ động điều khiển hệ thống

thông qua giao diện. Quá trình này được diễn ra liên tục và lặp đi lặp lại để đảm báo tính thời gian thực 2.1.3. Ưu nhược điểm của IoT Ưu điểm:

Truy cập thông tin mọi lúc, mọi nơi trên mọi thiết bị: Việc các thiết bị được kết nối liên tục với mạng Internet cho phép con người và doanh nghiệp dễ dàng lấy được dữ liệu, thông tin cần thiết ở bất kỳ đâu và bất kỳ thời điểm nào. Nhờ khả năng này mà các phòng ban hoặc cá nhân có thể nắm bắt thông tin và ra quyết định nhanh và chính xác dựa dữ liệu trên thời gian thực đó. Những điều đó đặc biệt hữu ích trong nhiều lĩnh vực như quản lý chuỗi cung ứng, giám sát y tế, quản lý tài sản công…

Cải thiện giao tiếp giữa các thiết bị điện tử: Các thiết bị IoT có thể “trò chuyện” và trao đổi dữ liệu với nhau không chỉ giảm bớt sự can thiệp của con người mà còn tạo ra quy trình làm việc tự động, thông suốt và hiệu quả. Từ đó các lỗi do thao tác thủ công có thể được hạn chế giúp cho việc duy trì chất lượng công việc, dịch vụ hay sản phẩm đạt mức tốt hơn.

Chuyển dữ liệu qua internet giúp tiết kiệm chi phí và thời gian: Trong mô hình Iot có rất nhiều thông tin được thu thập và chia sẻ qua mạng thay vì phải sử dụng các phương pháp thủ công (như thừ từ, sổ sách ghi chép…). Các báo cáo và dữ liệu phân tích được truyền tải liên tục tạo nên một dòng chảy thông tin mượt mà giữa các bên liên quan trong hệ thống từ đó nhiều tác vụ trong đời sống được tự động hóa, giúp tiết kiệm nhân lực, tối ưu hóa quy trình và qua đó tiết kiệm đáng kể chi phí vận hành và thời gian thực hiện.

Tự động hóa các nhiệm vụ và cải thiện chất lượng dịch vụ: Iot cho phép xây dựng các hệ thống tự động phát hiện và xử lý bất cứ vấn đề gì trong đời sống. Các quá trình tự động hóa giúp doanh nghiệp, công ty tập trung vào chiến lược và nâng cao trải nghiệm khách hàng thay vì dàn trải nguồn lực cho các nhiệm vụ lặp đi lặp lại. Thông qua việc thu thập và phân tích dữ liệu từ nhiều nguồn, các doanh nghiệp có thể cá nhân hóa dịch vụ, tối ưu hóa sản phẩm và theo dõi chất lượng một cách liên tục giúp nâng cao mức độ hài lòng của khách hàng. Nhược điểm: Nguy cơ bị tấn công và đánh cắp dữ liệu: Bất kỳ quá trình trao đổi dữ liệu trên mạng nào diễn ra vẫn sẽ luôn có nguy cơ bị kẻ xấu tấn công và đánh cắp thông tin. Nếu các lỗ hổng bảo mật trong hệ thống không được phát hiện và khắc phục kịp thời, tin tặc có thể truy cập vào dữ liệu nhạy cảm hoặc thậm chí chiếm quyền điều khiển các thiết bị quan trọng. Vấn đề này càng quan trọng hơn đối với các hệ thống Iot được áp dụng trong lĩnh vực y tế, quốc phòng hay các cơ sở hạ tầng then chốt như điện, nước, giao thông… Quá nhiều thiết bị Iot dẫn đến thách thức trong việc quản lý: Với việc có số lượng lớn hệ thống thiết bị Iot đồng nghĩa với việc một lượng lớn dữ liệu khổng lồ được sinh ra. Việc thu thập, lưu trữ và xử lý khối xử liệu này đòi hỏi hệ thống hạ tầng máy chủ lớn, công nghệ Big Data và đội ngũ nhân sự có trình độ. Nếu doanh nghiệp không chuẩn bị đáp ứng về mặt công nghệ, hệ thống có thể bị quá tải dẫn

đến tốc độ xử lý chậm, thiếu chính xác hoặc thậm chí là hệ thống máy chủ ngừng hoạt động hay còn gọi là “sập server”. Chi phí đầu tư cho phần cứng lưu trữ, bảo trì và triển khai giải pháp Big Data cũng không hề nhỏ. Rủi ro “hiệu ứng domino” khi hệ thống gặp sự cố: Iot dựa trên sự kết nối liên tục giữa nhiều thiết bị dịch vụ. Nếu một thiết bị quan trọng hay máy chủ trung tâm gặp lỗi, khi đó cả mạng lưới Iot có thể bị tê liệt hoặc hoạt động không chính xác. Và việc khôi phục dữ liệu hoặc tái thiết lập các kết nối có thể phức tạp và tốn thời gian dựa trên mức độ sự cố, điều này càng khó khăn hơn trong các hệ thống Iot có quy mô lớn. Thiếu tiêu chuẩn quốc tế chung và khả năng tương thích: Mặc dù Iot đang phát triển nhanh nhưng nhiều nhà sản xuất thiết bị hay nhà phát triển nền tảng vẫn dùng các tiêu chuẩn hãng riêng của họ, gây ra sự khó đồng nhất giữa các hệ sinh thái. Điều này làm cho việc kết nối và trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị đến từ các hãng khác nhau trở nên khó khăn. Người dùng có thể phải đầu tư thêm những thiết bị trung gian hoặc nâng cấp hạ tầng. Việc thiếu chuẩn chung cũng cản trở quá trình triển khai Iot trên quy mô rộng lớn, bởi công sức và chi phí để đồng bộ hệ thống thường khá cao, đồng thời có thể gây ra vấn đề tương thích khi mở rộng hoặc nâng cấp cho sau này. 2.1.4. Ứng dụng của Iot Công nghệ IoT hiện nay đã trở thành một trong những công nghệ cốt lõi góp phần thúc đẩy quá trình số hóa và tự động hóa trong nhiều lĩnh vực của đời sống và sản xuất. Trong lĩnh vực công nghiệp, IoT giúp xây dựng mô hình nhà máy thông minh, nơi các thiết bị, cảm biến, dây chuyền sản xuất có thể tự động giám sát, trao đổi dữ liệu và cảnh báo sớm các rủi ro, qua đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Trong nông nghiệp, IoT hỗ trợ quản lý môi trường trồng trọt và chăn nuôi như đo độ ẩm, nhiệt độ, lượng nước, ánh sáng... giúp nông dân tối ưu quy trình canh tác, tiết kiệm chi phí, tăng năng suất và giảm tác động tiêu cực đến môi trường.

Trong lĩnh vực y tế, IoT được ứng dụng trong giám sát sức khỏe từ xa, theo dõi các chỉ số sinh tồn của bệnh nhân như nhịp tim, huyết áp, đường huyết… và cung cấp thông tin kịp thời cho bác sĩ nhằm phát hiện sớm các vấn đề sức khỏe. Bên cạnh đó, hệ thống IoT còn giúp bệnh viện quản lý hiệu quả trang thiết bị, thuốc men và tối ưu quy trình chăm sóc bệnh nhân. Trong giao thông và vận tải, IoT giúp xây dựng các hệ thống giao thông thông minh với khả năng giám sát tình trạng đường sá, điều khiển đèn giao thông tự động, theo dõi vị trí và tình trạng phương tiện, đảm bảo an toàn và tối ưu hóa hành trình vận chuyển.

Đặc biệt, IoT đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng thành phố thông minh và nhà thông minh, giúp quản lý hiệu quả hệ thống chiếu sáng, an ninh, cấp thoát nước, môi trường, điện năng,... Tại các hộ gia đình, các thiết bị IoT giúp người dùng dễ dàng điều khiển, giám sát thiết bị điện, an ninh và các tiện ích sinh hoạt thông qua điện thoại hoặc các thiết bị điều khiển từ xa, mang đến cuộc sống hiện đại, tiện nghi và tiết kiệm năng lượng.

2.2. Định nghĩa lớp học thông minh 2.2.1. Khái niệm: Lớp học thông minh là một mô hình giáo dục hiện đại tích hợp các thiết bị công nghệ cao nhằm tối ưu hóa quá trình giảng dạy và học tập. Hệ thống này bao gồm các thiết bị như hệ thống chiếu sáng, máy tính, màn hình tương tác, hệ thống âm thanh, máy chiếu, cảm biến và phần mềm quản lý lớp học. Các thiết bị này được kết nối với nhau thông qua nền tảng IoT, giúp tự động hóa các chức năng trong lớp học và tăng cường sự tương tác giữa giảng viên và sinh viên.

Hình 2.1 Mô hình lớp học thông minh

2.2.2. Ưu nhược điểm chính của mô hình lớp học thông minh Ưu điểm:

Mô hình lớp học thông minh mang đến sự đa dạng về phương pháp giảng dạy, giúp bài học trở nên sinh động và thu hút hơn. Thay vì chỉ sử dụng những cách thức truyền thống như thuyết giảng, giáo viên có thể tận dụng nhiều công cụ và công nghệ hiện đại, chẳng hạn như bảng tương tác, bài giảng số, video minh họa, hoặc phần mềm mô phỏng. Nhờ đó, học sinh không chỉ lắng nghe lý thuyết một cách thụ động mà còn có cơ hội tham gia vào các hoạt động tương tác, trao đổi và sáng tạo, qua đó nâng cao hiệu quả tiếp thu kiến thức. Đồng thời, lớp học thông minh còn giúp giáo viên dễ dàng theo dõi, quản lý tiến trình học tập của từng học sinh, qua đó có các điều chỉnh thích hợp cho từng cá nhân hoặc nhóm.

Bên cạnh đó, việc áp dụng công nghệ vào không gian học tập còn cho phép kiểm soát và điều chỉnh môi trường lớp học một cách linh hoạt. Hệ thống cảm biến có thể được tích hợp để tự động điều chỉnh nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh hoặc theo dõi mức độ bụi và chất lượng không khí, giúp học sinh luôn cảm thấy thoải mái và tập trung tối đa. Giáo viên cũng được hỗ trợ đáng kể thông qua các công cụ quản lý hồ sơ, chấm điểm, kiểm tra tiến độ học trực tuyến, hoặc phân phối tài nguyên

học liệu một cách nhanh chóng. Nhìn chung, với mô hình lớp học thông minh, cả học sinh lẫn giáo viên đều nhận được lợi ích đáng kể trong việc nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập. Nhược điểm:

Tuy sở hữu tiềm năng thay đổi căn bản cách thức dạy và học, mô hình lớp học thông minh cũng đặt ra không ít thách thức. Trước hết, việc lắp đặt và tích hợp các thiết bị công nghệ là một quy trình phức tạp, đòi hỏi sự phối hợp giữa nhiều bên liên quan, từ đơn vị cung cấp thiết bị đến đội ngũ kỹ thuật chịu trách nhiệm triển khai. Chi phí đầu tư ban đầu, bao gồm hạ tầng phần cứng (máy chiếu, bảng tương tác, máy tính, cảm biến, hệ thống âm thanh…) và các phần mềm chuyên dụng (hệ thống quản lý học tập, ứng dụng dạy học, v.v.), có thể khá cao. Thêm vào đó, chi phí bảo trì, nâng cấp và thay thế thiết bị sau một thời gian sử dụng cũng là một gánh nặng không nhỏ, đặc biệt đối với những cơ sở giáo dục có ngân sách hạn chế.

Một điểm yếu khác cần được tính đến là công tác kiểm tra, bảo trì hệ thống đòi hỏi phải được thực hiện thường xuyên. Chỉ một sự cố nhỏ về kỹ thuật cũng có thể gây gián đoạn buổi học hoặc làm gián đoạn quá trình giảng dạy. Điều này đòi hỏi đội ngũ hỗ trợ và giáo viên phải nắm vững cách vận hành cũng như cách khắc phục các lỗi cơ bản để hạn chế ảnh hưởng đến việc học tập. Bên cạnh đó, yêu cầu về trình độ và kỹ năng sử dụng công nghệ của giáo viên cũng cao hơn đáng kể so với mô hình truyền thống. Nếu không được đào tạo đầy đủ, giáo viên khó có thể khai thác hết tiềm năng của các thiết bị hoặc triển khai hiệu quả các hoạt động giảng dạy số hóa. Chính vì thế, để mô hình lớp học thông minh thành công, không chỉ cần đầu tư vào thiết bị, mà còn phải chú trọng đào tạo nguồn nhân lực và xây dựng quy trình hỗ trợ kỹ thuật chặt chẽ, xuyên suốt. 2.3. Tổng quan về hệ thống 2.3.1. Điểm danh sinh viên Điểm danh là một hoạt động quan trọng trong quản lý giáo dục, ảnh hưởng trực tiếp tới việc theo dõi tiến trình học tập và rèn luyện của sinh viên. Công nghệ điểm danh tự động ra đời nhằm khắc phục những hạn chế của việc điểm danh thủ công, là quá trình sử dụng công nghệ thông tin và các công nghệ tự động hóa để xác định và ghi nhận sự hiện diện của sinh viên một cách nhanh chóng, chính xác và tiện lợi, không đòi hỏi nhiều sự can thiệp thủ công từ người quản lý. Một số phương pháp ghi danh tự động hiện nay đang được áp dụng gồm có: Sử dụng công nghệ RFID, mỗi sinh viên sẽ có một thẻ RFID cá nhân để xác nhận điểm danh thông qua các thiết bị đọc thẻ. Dữ liệu đọc sẽ được tự động cập nhật vào hệ thống quản lý. Ưu điểm của phương pháp này là điểm danh nhanh, chính xác và hiệu quả cao, giảm thiểu gian lận, sai sót đồng thời chi phí hợp lý, dễ triển khai trên quy mô lớn. Tuy nhiên thì sinh viên sẽ luôn phải mang theo thẻ nếu muốn điểm danh, hơi bất tiện nếu sinh viên quên hoặc mất thẻ. Sử dụng công nghệ nhận diện khuôn mặt, hệ thống camera sẽ chụp ảnh khuôn mặt học sinh hoặc xử lý trực tiếp trên camera để nhận diện và ghi danh tự động vào hệ thống. Ưu điểm của phương pháp này là nhanh, hiện đại, trực quan,

ít sai sót gian lận và sinh viên không cần phải giữ bất kỳ thẻ gì. Ngược lại, chi phí đầu tư và xây dựng hệ thống cao hơn các phương pháp khác, nếu triển khai cho quy mô lớn sẽ rất tốn kém. Độ chính xác cũng phụ thuộc vào chất lượng của hệ thống cũng như môi trường xung quanh. Sử dụng công nghệ quét dấu vân tay, sinh viên có thể xác thực bằng dấu vân tay thông qua máy quét. Ưu điểm là độ chính xác cao, gần như không thể gian lận. Nhược điểm là phụ thuộc vào điều kiện vân tay. Trong các giải pháp điểm danh, mỗi công nghệ đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng phù hợp với các môi trường và nhu cầu khác nhau. Với đề tài này, em lựa chọn công nghệ RFID nhờ sự tiện lợi, dễ triển khai, chi phí dễ tiếp cận hơn so với các công nghệ khác. Đồng thời cũng phù hợp với tình huống trường học khi mà sinh viên nào cũng có cho một thẻ sinh viên có thể tích hợp làm thẻ RFID.

Bật/tắt đèn tự động dựa trên cảm biến chuyển động giúp tăng sự tiện nghi

Theo dõi trạng thái môi trường lớp học dựa trên các cảm biến như nhiệt độ,

2.3.2. Điều khiển và quản lý các thiết bị điện Ngày nay, việc tự động hóa các thiệt bị điện dân dụng đang dần trở thành xu hướng công nghệ tiên tiến không chỉ trong môi trường tư gia mà còn trong công ty, trường học… nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng, tiết kiệm năng lượng và gia tăng sự thuận tiện cho người dùng. Hệ thống mà đề tài hướng tới xây dựng sẽ bao gồm các tính năng sau: Điều khiển bật/tắt thiết bị tự động theo lịch trình: Hệ thống sử dụng ứng dụng Blynk để thiết lập lình trình theo thời gian cố định, giúp tiết kiệm điện năng hiệu quả và hạn chế tối đa tình trạng quên tắt thiết bị sau giờ học cho người ra vào, đặc biệt khi họ không biết công tắc thủ công ở vị trí nào. Điều khiển và theo dõi trạng thái các thiết bị điện từ xa thông qua ứng dụng Blynk, giúp giảng viên có thể tùy ý điều khiển các thiết bị bằng điện thoại hoặc máy tính cá nhân mà không cần phụ thuộc vào công tắc hay remote gốc của thiết bị. độ ẩm, độ sáng… 2.4. Tổng quan về công nghệ hệ thống 2.4.1. ARDUINO IDE

Arduino IDE là một phần mềm mã nguồn mở được sử dụng để lập trình và nạp mã nguồn cho các vi điều khiển Arduino cũng như các bộ vi tương thích khác. Đây là một công cụ quan trọng giúp đơn giản hóa quy trình phát triển phần mềm nhúng, đặc biệt dành cho những người mới bắt đầu hoặc chưa có kinh nghiệm. Phần mềm này cung cấp một môi trường phát triển thân thiện, dễ sử dụng với giao diện đồ họa trực quan giúp lập trình viết, chỉnh sửa mã nguồn, biên dịch và nạp chương trình vào vi điều khiển một cách nhanh chóng. Nhờ vào tính linh hoạt và khả năng mở rộng, Arduino không chỉ được sử dụng trong các dự án cá nhân mà còn được ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu khoa học, phát triển

trong công nghiệp. Từ các nguyên mẫu đơn giản đến những hệ thống phức tạp, Arduino IDE là một lựa chọn lý tưởng giúp hiện thực hóa ý tưởng sáng tạo của người dùng một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Arduino IDE được phát triển dựa trên ngôn ngữ lập trình C/C++ và hỗ trợ nhiều thư viện giúp người dùng dễ dàng làm việc với các thiết bị điện tử, viết mã và điều khiển phần cứng.

Hình 2.2 Giao diện Arduino IDE

2.4.2. Vi xử lý ESP32 Devkit V1 2.4.2.1. Giới thiệu về Esp32 ESP32 là một bộ vi điều khiển hiệu năng cao do Espressif Systems phát triển thuộc danh mục vi điều khiển tích hợp trên cùng một chip với khả năng tiêu thụ công suất thấp và chi phí hợp lý, thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng IoT, hệ thống nhúng và các ứng dụng điều khiển thông minh. Đây là một bản nâng cấp từ dòng ESP8266 với nhiều tính năng mở rộng và hiệu suất cao hơn. ESP32 tích hợp Wi- Fi và Bluetooth trên cùng một vi mạch, giúp thiết bị có thể kết nối không dây một cách linh hoạt và tiết kiệm năng lượng. Đề tài sử dụng ESP32 Devkit V1 là một phiên bản phổ biến của dòng vi điều khiển ESP32. Phiên bản này có 30 chân GPIO cung cấp đầy đủ các giao tiếp phần cứng cần thiết như UART, SPI, I2C, ADC, DAC, PWM và hỗ trợ kết nối không dây. ESP32 Devkit V1 thường là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng IoT.

2.4.2.2. Thông số kỹ thuật

 Bộ vi xử lý: Xtensa LX6 lõi kép hoặc lõi đơn, tốc độ lên đến 240 MHZ.  Kết nối không dây: Wifi và Bluetooth.  Bộ nhớ: RAM khoảng 520KB, hỗ trợ bộ nhớ Flash ngoài lên đến 16 MB.  Giao tiếp ngoại vi: UART, SPI, I2C, ADC, DAC, PWM, I2S.  Số lượng GPIO: 30 chân đầu vào/ra có thể lập trình.  Điện áp hoạt động: 3V3 (GPIO không hỗ trợ trực tiếp 5V).  Bảo mật: Hỗ trợ mã hóa AES, SHA-2, RSA và bảo mật Wifi nâng cao.

2.4.2.3. Chân GPIO và các giao thức kết nối

Hình 2.3 Sơ đồ 30 chân ESP32 Devkit V1

ESP32 Devkit V1 cung cấp nhiều chân đầu vào/ra có thể cấu hình linh hoạt

SPI (Serial Peripheral Interface): Giao thức giao tiếp tốc độ cao giữa

cho các chức năng khác nhau. Sau đây là một số chức năng chính: UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): Cho phép thiết bị truyền nhận dữ liệu trực tiếp, thường dùng để in/ghi log và giao tiếp với các thiết bị như module GPS, đầu đọc RFID…Thông thường Esp32 hỗ trợ đến 3 UART nhưng trên Devkit V1, một trong các UART được sử dụng mặc định cho việc nạp chương trình (TX0, RX0). Esp32 với các chip ngoại vi như màn hình LCD, thẻ SD, ADC mở rộng… I2C (Inter-Intergrated Circuit): Giao thức giao tiếp hai dây (SDA - Data, SCL - Clock) thường dùng để kết nối với các cảm biến hoặc các IC giao tiếp I2C. Esp32 cho phép lựa chọn bất kỳ cặp GIPO nào làm SDA, SCL thông qua cấu hình trong code.

ADC (Analog to Digital Converter) và DAC (Digital to Analog Converter): Các chân ADC đo điện áp tượng tự (tối đa 3V3), thường được dùng

để đọc tín hiệu cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, điện áp pin…. Một số chân GPIO có thể cấu hình thành chân DAC, hỗ trợ phát tín hiệu analog ra loa, tạo tín hiệu DAC thô.

PWM (Pulse Width Modulation): Hầu hết GPIO có khả năng tạo xung PWM để điều khiển độ sang LED, tốc độ động cơ… PWM có độ phân giải lên tới 16bit.

I2S (Integrated Inter – IC sound): Giao thức truyền dữ liệu âm thanh kỹ

thuật số, thường dùng trong ứng dụng âm thanh (micro, loa…) Chân nguồn và điện áp hoạt động: 3V3 là điện áp chính cho toàn hệ thống, các GPIO không chịu được điện áp 5V trực tiếp. GND là các chân ground (nối đất) 0V cần được nối chung với các thiết bị ngoại vi. Một số chân đặc biệt: GPIO 0, 2, 15 (boot pins) liên quan tới chế độ nạp bootloader, cần tránh sử dụng làm đầu ra khi khởi động. GPIO 34 – 39 chỉ có thể cấu hình làm đầu vào (input only). Chân tích hợp Flash nên hạn chế sử dụng hoặc cần được cấu hình cẩn thận để tránh xung đột. 2.4.3. Module cảm biến thẻ RFID – RC522 2.4.3.1. Giới thiệu về RC522 RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ nhận dạng không dây sử dụng sóng vô tuyến để trao đổi thông tin giữa đầu đọc và thẻ RFID. Trong đó, module RFID RC522 là một trong những đầu đọc RFID phổ biến, thường được sử dụng trong các ứng dụng như kiểm soát truy cập, điểm danh, tự động hóa và IoT. Module này được phát triển dựa trên chip MFRC522 của NXP, hoạt động ở tần số 13.56 MHz và hỗ trợ giao tiếp với vi điều khiển thông qua các giao thức như SPI, I2C hoặc UART. Với kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp và khả năng hoạt động ổn định, RC522 là lựa chọn hợp lý cho các dự án ứng dụng RFID.

2.4.3.2. Thông số kỹ thuật

 Chip xử lý: MFRC522 của NXP.  Tần số hoạt động: 13.56 MHz.  Khoảng cách đọc: 2 – 5cm (phụ thuộc vào loại thẻ và môi trường).  Giao thức giao tiếp: SPI (tốc độ lên tới 10Mbit/s), I2C, UART.  Điện áp hoạt động: 2V5 ~ 3V3 (Không hỗ trợ trực tiếp 5V).

2.4.3.3. Ý nghĩa các chân nối của RC522

 VCC: Chân cấp nguồn cho module, hoạt động ở mức điện áp 3.3V (không

Hình 2.4 Sơ đồ chân RFID – RC522

 GND: Chân nối đất (Ground), cần kết nối với GND của vi điều khiển.  SDA (Serial Data): Chân chọn thiết bị khi giao tiếp SPI hoặc chân dữ liệu

hỗ trợ 5V trực tiếp).

 SCK (Serial Clock): Chân xung nhịp khi sử dụng giao tiếp SPI, nhận tín

trong giao thức I2C.

 MOSI (Master Out Slave In): Chân truyền dữ liệu từ vi điều khiển đến

hiệu từ vi điều khiển để đồng bộ dữ liệu.

 MISO (Master In Slave Out): Chân truyền dữ liệu từ module RC522 đến vi



module RC522 trong giao thức SPI.

điều khiển trong giao thức SPI. IRQ (Interrupt Request): Chân ngắt, được sử dụng để thông báo cho vi điều khiển khi có sự kiện quan trọng xảy ra, chẳng hạn như phát hiện thẻ RFID.  RST (Reset): Chân reset module RC522, giúp khởi động lại module khi cần.

2.4.3.4. Nguyên lý hoạt động Khi hoạt động, RC522 tạo ra trường điện từ ở tần số 13.56 MHz thông qua cuộn ăng ten trên module. Thẻ RFID khi được đặt ở gần sẽ hấp thụ năng lượng từ trường này qua cuộn ăng ten tích hợp, năng lượng nhận được sẽ kích hoạt vi mạch (IC) bên trong thẻ để bắt đầu giao tiếp Sau khi thẻ được cấp nguồn, RC522 và thẻ bắt đầu giao tiếp theo tiêu chuẩn ISO 14443A (MIFARE). Sau đó RC522 sẽ gửi các lệnh để đọc/ghi dữ liệu hoặc để lấy ID duy nhất của thể, dữ liệu trao đổi được mã hóa và điều chế trên sóng mang tần số 13.56 MHz.

Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động RC522

2.4.4. Module cảm biến nhiệt độ DHT11 2.4.4.1. Giới thiệu về DHT11 DHT11 là một loại cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm kỹ thuật số phổ biến được sử dụng rộng rãi trong các dự án giám sát môi trường. Cảm biến này có khả năng đo với độ chính xác tương đối tốt, giá thành rẻ, dễ sử dụng và phù hợp với nhiều vi điều khiển như Arduino, ESP hay Raspberry Pi.

2.4.4.2. Thông số kỹ thuật

Hình 2.6 Sơ đồ chân DHT11

2.4.4.3. Nguyên lý hoạt động Bên trong DHT11 có tích hợp một nhiệt điện trở hoặc một cặp vật liệu bán dẫn có đặc trưng điện trở thay đổi theo nhiệt độ, khi nhiệt độ môi trường thay đổi, điện trở của bộ cảm biến cũng thay đổi theo, từ đó mạch tích hợp IC bên trong DHT11 sẽ đọc giá trị điện trở và chuyển đổi sang con số nhiệt độ tương ứng.

 Điện áp hoạt động: 3V3 ~ 5V.  Dải đo nhiệt độ: 0°C - 50°C (±2°C)  Dải đo độ ẩm: 20% - 90% RH (±5% RH)  Tần suất lấy mẫu: 1 lần mỗi giây (~1 Hz)  Giao tiếp dữ liệu: Tín hiệu số 1 dây (Single-Wire Digital Signal)  Kích thước: 15.5mm x 12mm x 5.5mm  Dòng điện tiêu thụ: Dưới 2.5mA khi hoạt động

Hình 2.7 Nguyên lý đo nhiệt độ

Cảm biến độ ẩm của DHT11 hoạt động theo nguyên lý điện dung, một cặp điện cực bao bọc quanh lớp vật liệu polymer có khả năng hút hoặc nhả hơi nước. Khi độ ẩm môi trường thay đổi, hằng số điện môi của lớp polymer sẽ thay đổi dẫn

đến điện dung giữa hai điện cực cũng thay đổi. Sau đó, mạch tích hợp bên trong sẽ đo sự thay đổi điện dung, tính toán và chuyển đổi thành giá trị độ ẩm phù hợp.

Hình 2.8 Nguyên lý đo độ ẩm

Trong quá trình giao tiếp, các mức điện áp trên chân dữ liệu do vi điều khiển

Sau khi thu thập hai giá trị từ các cảm biến thành phần, IC của DHT11 sẽ chuyển đổi chúng sang dạng kỹ thuật số và truyền qua một chân dữ liệu duy nhất. Cảm biến DHT11 sử dụng giao thức giao tiếp 1 dây (Single-Wire Communication Protocol) để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và cảm biến. Dữ liệu truyền theo dạng số (digital) và sử dụng chỉ một chân dữ liệu duy nhất để truyền nhận. Tuy nhiên đây chỉ là giao thức riêng của hãng sản xuất chứ không phải giao thức chuẩn 1-Wire theo Dallas Semiconductor. ESP32 hoặc DHT11 truyền vào sẽ biểu diễn các giá trị nhị phân:

Mức cao (High): Tương ứng với điện áp 3V3, đại diện cho logic 1 Mức thấp (Low): Tương ứng với điện áp 0V, đại diện cho logic 0 Để khởi động giao tiếp vi điều khiển sẽ kéo chân DATA xuống mức Low trong ít nhất 18ms để thông báo bắt đầu phiên giao tiếp. Sau đó sẽ nhả chân DATA để đưa về mức High và chờ trong khoảng 20 - 40μs. Phản hồi từ DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống Low trong 80μs và đưa lên mức High trong 80μs. Điều này báo hiệu cho vi điều khiển biết cảm biến đã sẵn sáng gửi dữ liệu. Khi đã sẵn sàng, DHT11 sẽ bắt đầu truyền dữ liệu bao gồm 40bit, được chia thành 5 byte tương ứng:

Byte1: Độ ẩm phần nguyên Byte2: Độ ẩm phần thập phân Byte3: Nhiệt độ phần nguyên Byte4: Nhiệt độ phần thập phân Byte5: Checksum = Byte1 + Byte2 + Byte3 + Byte4 (chỉ lấy 8 bit cuối)

Mỗi bit sẽ bao gồm: Mức thấp trong 50μs và mức cao 26-28μs nếu bit = 0 hoặc 70μs nếu bit = 1. Sau khi nhận đủ 40bit, vi điều khiển sẽ tính tổng 4 byte đầu và so sáng với byte checksum để xác nhận dử liệu hợp lệ. 2.4.5. Module thu/phát tín hiệu IR 2.4.5.1. Giới thiệu về module Hệ thống truyền và nhận tín hiệu hồng ngoại (IR) là một phương thức giao tiếp không dây phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong điều khiển từ xa, cảm biến an ninh, robot tránh vật cản và nhiều ứng dụng IoT khác. Bộ đôi module IR Transmitter (Bộ phát hồng ngoại) và IR Receiver (Bộ thu hồng ngoại) cho phép truyền và nhận dữ liệu qua sóng hồng ngoại, giúp các vi điều khiển như Arduino, ESP32 có thể thực hiện các tác vụ điều khiển từ xa hoặc giao tiếp không dây đơn giản. Công nghệ hồng ngoại (Infrared) khai thác bức xạ trong dải sóng điện từ gần với ánh sáng có thể nhìn thấy nhưng có bước sóng dài hơn (thường khoảng 850 nm – 950 nm). Nhờ việc điều chế sóng ánh sáng ở tần số nhất định (phổ biến là 36 kHz, 38 kHz hoặc 40 kHz), hệ thống điều khiển từ xa IR có thể tách biệt tín hiệu điều khiển với ánh sáng môi trường, tạo sự ổn định và đáng tin cậy trong truyền dữ liệu.

Hình 2.9 Sơ đồ chân đầu thu tín hiệu Hình 2.10 Sơ đồ chân đầu phát tín hiệu 2.4.5.2. Thông số kỹ thuật:

 Điện áp hoạt động: 3.3V - 5V  Khoảng cách nhận tín hiệu: 1 - 10m (tủy vào công suất thiết bị và điều kiện môi trường)

2.4.5.3. Nguyên lý hoạt động Khi nhận tín hiệu, vi điều khiển hoặc mạch phát xung sẽ sinh ra tần số sóng mang ở một số tần số tiêu chuẩn nhất định. Khi phát lệnh điều khiển, đầu LED IR

 Tần số thu/phát tín hiệu: 38kHz  Góc thu/phát tín hiệu: Khoảng 45 độ

sẽ được bật tắt theo tần số đó đồng thời chèn các mã bit thông qua việc ngắt quãng hoặc thay đổi độ dài xung. Dưới góc nhìn vật lý, LED IR nhấp nháy rất nhanh lên tới hàng chục nghìn lần mỗi giây, chuỗi nhấp nháy này được mã hóa dưới dạng các gói dữ liệu theo từng tiêu chuẩn (NEC, RC5, SONY, SAMSUNG….). Quá trình phát sóng mang ở tần số cố định cho phép bộ thu có thể nhận biết và lọc đúng tần số, giảm thiểu sự nhiễu từ các nguồn hồng ngoại khác. Trên module thu IR có linh kiện quang điện nhạy cảm với ánh sáng trong dải 850 – 950 nm, khi có các bức xạ ở tần số phù hợp chiếu tới, một dòng điện nhỏ tỉ lệ với cường độ ánh sáng sẽ được tạo ra. Dòng diện này có điện áp rất nhỏ, cần được khuếch đại để trở thành xung logic tuy nhiên nếu khuếch đại tất cả ánh sáng môi trường sẽ gây ra nhiễu lớn. VÌ vậy bộ thu được tích hợp một bộ lọc băng hẹp được tinh chỉnh để chỉ cho tín hiệu ở những tần số nhất định đi qua. Ánh sáng lân cận ở các tần số bị suy hao đáng kể, các tín hiệu được khuếch đại lên sau khi lọc giúp đảm bảo xung ra đủ mạnh và rõ ràng. Các xung logic này là giao thức kết nối xung PWM giữa module và Esp32. PWM (Pulse Width Modulation) là một phương pháp điều khiển tín hiệu điện tử bằng cách thay đổi độ rộng (thời gian bật) của xung, trong khi vẫn giữ tần số không đổi. PWM tạo ra một tín hiệu Digital có 2 trạng thái là HIGH và LOW, tỉ lệ thời gian giữa 2 trạng thái trong một chu kỳ tạo thành độ rộng xung. Esp32 sẽ đọc thời gian xung HIGH – LOW để decode tín hiệu nhận được và ngược lại. 2.4.6. Module cảm biến chuyển động PIR HC – SR501 2.4.6.1. Giới thiệu về module Cảm biến PIR HC – SR 501 (Passive Infrared Sensor) là cảm biến hồng ngoại thụ động, thiết bị này không phát ra bất kỳ tia sóng nào mà chỉ đóng vai trò là bộ thu nhận bức xạ hồng ngoại từ môi trường xung quanh. Trong môi trường tự nhiên, cơ thể con người hay động vật đều phát ra bức xạ hồng ngoại ở một mức độ nhất định. Cảm biến PIR có khả năng phát hiện những thay đổi nhỏ của nguồn bức xạ này khi có sự dịch chuyển trong vùng quét, từ đó đưa ra tín hiệu để vi điều khiển xử lý. Cảm biến này thường được ứng dụng trong các hệ thống báo động, đèn cảm biến, hệ thống điều khiển thiết bị tự động trong nhà thông minh hoặc các mô hình mô phỏng. Cảm biến này thường được ứng dụng trong các hệ thống báo động, đèn cảm biến, hệ thống điều khiển thiết bị tự động.

Hình 2.11 Cảm biến HC-SR501

2.4.6.2. Thông số kỹ thuật

 Điện áp hoạt động: 3.3V – 5V  Khoảng cách phát hiện: Từ 3 – 7m (có thể điều chỉnh bằng biến trở)  Góc quét: ~120 độ  Thời gian trễ: 0.3s – 5 phút (có thể điều chỉnh bằng biến trở)

2.4.6.3. Nguyên lý hoạt động Cảm biến HC – SR501 hoạt động dựa trên việc phát hiện sự thay đổi đột ngột của bức xạ hồng ngoại trong vùng quét. Khi môi trường xung quanh ổn định, mức bức xạ hồng ngoại thu được từ các vật thể tĩnh là không đổi. Tuy nhiên, khi một vật thể như người hoặc động vật di chuyển vào vùng cảm biến, sự thay đổi cường độ hồng ngoại phát ra từ vật thể sẽ khiến mạch cảm biến nhận biết được sự thay đổi này. Sau đó cảm biến sẽ đưa chân OUT lên mức High trong một khoảng thời gian nhất định, báo hiệu cho vi điều khiển biết đã phát hiện chuyển động Cảm biến sử dụng giao tiếp tín hiệu số digital thuần túy, không sử dụng giao thức truyền thông phức tạp. Khi có chuyển động trong vùng quét, chân Out sẽ ở mức High và ngược lại khi không phát hiện chuyển động, chân Out sẽ ở mức Low. Vi điều khiển chỉ cần kiểm tra giá trị tại chân này để xác định trạng thái môi trường Ngoài ra cảm biến HC-SR501 còn tích hợp hai biến trở cho phép người dùng có thể điều chỉnh theo ý muốn. Biến trở thứ nhất dùng để điều chỉnh độ nhạy, thay đổi khoảng cách cảm biến có thể phát hiện. Biến trở thứ hai điều chỉnh thời gian giữ tín hiệu ở mức cao sau khi phát hiện chuyển động. Module cũng có một jumper nhỏ cho phép lựa chọn giữa hai chế độ là Trigger single và Trigger repeat 2.4.7. Module Relay 5V

2.4.7.1. Giới thiệu về Relay Module Relay 5V là một thiết bị đóng/ngắt mạch điện sử dụng tín hiệu điều khiển điện áp thấp (từ vi điều khiển như Arduino, ESP32, Raspberry Pi) để bật/tắt các thiết bị điện áp cao như đèn, quạt, motor hoặc các thiết bị AC/DC khác. Relay hoạt động như một công tắc điện tử, cho phép cách ly mạch điều khiển và mạch tải, đảm bảo an toàn khi vận hành. Module Relay 5V thường có sẵn dưới dạng 1 kênh, 2 kênh, 4 kênh, 8 kênh, tùy vào số lượng relay có trên module. Mỗi relay có thể điều khiển một tải riêng biệt. Cấu tạo của một module relay thường bao gồm: Relay cơ học là linh kiện chính, có chức năng đóng/ngắt mạch điện. Optocoupler giúp cách ly điện giữa mạch điều khiển và relay, bảo vệ vi điều khiển. Transistor để kích hoạt relay dựa vào tín hiệu từ vi điều khiển. Điện trở và diode bảo vệ giúp chống sốc bảo vệ mạch điều khiển khỏi dòng ngược sinh ra từ cuộn dây này. LED chỉ thị cho biết trạng thái relay (on/off).

2.4.7.2. Thông số kỹ thuật

 Điện áp hoạt động: 5V DC  Dòng điện kích hoạt: Khoảng 15-20mA  Điện áp tải: Hỗ trợ AC 250V - 10A hoặc DC 30V - 10A  Số lượng kênh: 1, 2, 4, 8 (tùy loại module)  Cách ly quang: Có thể có Optocoupler để bảo vệ vi điều khiển  Tín hiệu điều khiển: TTL mức thấp (LOW Kích hoạt - HIGH Tắt)

Hình 2.12 Sơ đồ Relay 1 kênh

2.4.7.3. Ý nghĩa chân nối của relay Nhóm chân điều khiển (từ vi điều khiển)  VCC: Cấp nguồn 5V cho module.  GND: Chân nối đất. 

 NO (Normally Open): Chế độ mở bình thường, khi relay KÍCH HOẠT, NO

IN (IN1, IN2...): Nhận tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển. Mức LOW kích hoạt relay, mức HIGH tắt relay.  Nhóm chân tải (NO, NC, COM)  COM (Common): Chân chung.

 NC (Normally Closed): Chế độ đóng bình thường, khi relay KHÔNG KÍCH

kết nối với COM.

HOẠT, NC kết nối với COM.

2.4.7.4. Nguyên lý hoạt động

Hình 2.13 Cấu tạo lõi relay

Khi có tín hiệu bật, nguồn điện được cấp vào cuộn dây coil và chạy qua cuộn dây quấn quanh lõi sắt tạo nên một vùng từ trường mạnh bên trong vùng lõi sắt đó. Dưới tác dụng của lực từ mạnh, khổi kim loại di động sẽ vượt qua lực cản của lò xò và bị hút về phía lõi sắt và tiếp xúc với tiếp điểm của mạch. Sự di chuyển này làm đóng mở các tiếp điểm trong relay, nếu có từ trường thì mạch COM sẽ được tiếp xúc với mạch NO tạo thành mạch khép kín. Khi tắt thiết bị, dòng điện đi vào lõi sẽ được ngắt khiến từ trường mất đi, lò xo kéo theo cơ cấu tiếp điểm về vị trí ban đầu và mạch COM sẽ nối với NC, mạch NO hở. 2.4.8. Blynk

 Ứng dụng Blynk (Mobile App): Giao diện người dùng trực quan trên điện

Blynk là một nền tảng IoT mạnh mẽ, giúp người dùng dễ dàng kết nối, điều khiển và giám sát các thiết bị phần cứng từ xa thông qua mạng Internet. Với Blynk, bạn có thể tạo ứng dụng điều khiển trên điện thoại mà không cần phải viết ứng dụng di động riêng biệt. Blynk cung cấp một giao diện trực quan thông qua ứng dụng di động (Android và iOS) và một hệ thống quản lý đám mây giúp gửi và nhận dữ liệu từ thiết bị IoT. Nó hoạt động bằng cách sử dụng Blynk Cloud để xử lý giao tiếp giữa ứng dụng di động và thiết bị phần cứng. Blynk có ba thành phần chính:

 Blynk Server (Cloud hoặc Local Server): Máy chủ xử lý dữ liệu, giúp giao

thoại, giúp tạo dashboard để điều khiển và giám sát thiết bị.

 Blynk Library (Thư viện Blynk): Cung cấp các API giúp vi điều khiển kết

tiếp giữa ứng dụng và thiết bị.

nối với máy chủ và gửi/nhận dữ liệu.

 Điều khiển thiết bị từ xa: Bật/tắt đèn, quạt, cửa thông minh thông qua

Tính năng nổi bật của Blynk

Internet.

 Giám sát dữ liệu theo thời gian thực: Xem nhiệt độ, độ ẩm, trạng thái cảm

 Tích hợp với nhiều vi điều khiển: Hỗ trợ Arduino, ESP8266, ESP32,

biến từ xa.

 Lập trình đơn giản: Sử dụng thư viện Blynk trên Arduino IDE để gửi/nhận

Raspberry Pi...

 Giao diện kéo thả: Không cần lập trình ứng dụng di động, có thể thiết kế

dữ liệu dễ dàng.

 Hỗ trợ kết nối Wi-Fi, GSM, Ethernet: Linh hoạt với nhiều loại kết nối mạng.

dashboard trực quan.

2.4.9. Google App Script

Google App Script là một tính năng lập trình dựa trên JavaScript được Google phát triển và cung cấp miễn phí để mở rộng chức năng của các ứng dụng thuộc hệ sinh thái Google Workspace. Nó cho phép người dùng tự động hóa các nhiệm vụ lặp đi lặp lại, tích hợp giữa các ứng dụng như Google Sheets, Google Docs, Google Drive, Gmail… để xây dựng các ứng dụng web đơn giản nhưng lại hiệu quả. GAP được lưu trữ hoàn toàn trên máy chủ của Google, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận sử dụng mà không cần thiết lập môi trường lập trình phức tạp. Các tính năng của Google App Script có thể kể đến như: Tự động hóa, tự động xử lý dữ liệu, quản lý email, tạo báo cáo tự động…; Xây dựng ứng dụng web đơn giản, nhanh chóng bằng kết hợp trực tiếp với các dịch vụ của Google; API tích hợp, dễ dàng kết nối các API của bên thứ ba để trao đổi và xử lý dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau; Xử lý và quản lý dữ liệu một cách nhanh chóng bằng Google Sheets và Drive…

CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Nhằm xây dựng một hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị thông minh,

3.1. Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống em đã phân chia thành các khối dựa trên các chức năng chính như sau.

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống

3.1.1. Khối vi xử lý Khối xử lý trung tâm sử dụng được coi là bộ não chịu trách nhiệm thu thập tín hiệu, điều khiển các thiết bị ngoại vi và thực thi các chương trình logic. Để có thể đáp ứng yêu cầu về khả năng kết nối không dây, tài nguyên bộ nhớ cũng như các tiện ích trong quá trình phát triển, em đã xem xét một số vi xử lý phổ biển như Arduino UNO, STM32F103C8, ESP8266, ESP32, Rasberry Pi. Dòng Arduino UNO có cộng đồng hỗ trợ rộng rãi, nhưng lại không tích hợp sẵn WIFI, cần phải có module mở rộng ngoài. STM mạnh hơn về tốc độ xử lý nhưng cũng không có tích hợp WIFI và việc phát triển cũng đòi hỏi nhiều công cụ phức tạp. ESP8266 có tích hợp WIFI, giá thành rẻ, nhưng lại có tài nguyên bộ nhớ thấp hơn, khó có thể đáp ứng nhiều tác vụ cùng lúc. Raspberry Pi hoạt động như một chiếc máy tính giá rẻ với cấu hình tốt hơn rất nhiều các vi xử lý khác, tuy nhiên với cấu hình như vậy thì vượt mức cần thiết so với hệ thống và giá thành lại đắt hơn các dòng Esp. Dựa trên các tiêu chí đó, em đã quyết dịnh chọn ra vi xử lý Esp32 với hai lõi xử lý, tích hợp WIFI/bluetooth, tài nguyên bộ nhớ như Ram, Flash dồi dào và có hệ sinh thái thư viện cũng như cộng đồng lập trình viên rộng rãi. Nhờ đó, em có thể triển khai đầy đủ tính năng Iot mà vẫn duy trì được tính ổn định tốt.

3.1.2. Khối cảm biến Khối cảm biến trong hệ thống có nhiệm vụ thu thập các thông tin từ môi trường và hiện trường, phục vụ cho việc giám sát và tự động điều khiển các thiết bị trong hệ thống. Dữ liệu từ khối cảm biến giúp hệ thống ra quyết định chính xác, phù hợp với tình huống thực tế như: giám sát nhiệt độ - độ ẩm, phát hiện chuyển động, từ đó điều khiển các thiết bị chấp hành một cách thông minh. Cảm biến DHT11 có chức năng đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường tại khu vực lắp đặt. Dữ liệu thu thập từ cảm biến này có thể phục vụ cho các tính năng như: giám sát môi trường, bật tắt thiết bị làm mát, cảnh báo tình trạng nhiệt độ - độ ẩm bất thường hoặc lưu trữ lịch sử môi trường. Hiện nay, trên thị trường có khá nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm như DHT11, DHT22, DS18B20, BME280, SHT31,... Tuy nhiên, với đặc thù đề tài là mô phỏng và thử nghiệm trong phạm vi nhỏ, cảm biến DHT11 đáp ứng tốt nhờ tích hợp khả năng đo cả nhiệt độ và độ ẩm trong cùng một module, độ chính xác ở mức cơ bản nhưng đủ dùng, giao tiếp đơn giản và chi phí thấp. Đây là loại cảm biến rất phổ biến trong các dự án sinh viên và dự án IoT đơn giản, dễ dàng lập trình và kết nối với vi điều khiển như ESP32.

Cảm biến PIR HC-SR501 có nhiệm vụ phát hiện chuyển động của con người hoặc vật thể trong vùng quét. Dữ liệu từ cảm biến giúp hệ thống đưa ra các hành động tự động như bật đèn, kích hoạt chuông cảnh báo hoặc ghi nhận các sự kiện xảy ra. Cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý thu nhận sự thay đổi bức xạ hồng ngoại phát ra từ cơ thể con người. Trong số các cảm biến chuyển động thông dụng, module HC-SR501 là một lựa chọn phổ biến do thiết kế nhỏ gọn, có thể điều chỉnh được khoảng cách phát hiện (từ 3m đến 7m) và thời gian giữ tín hiệu. Module xuất tín hiệu digital đơn giản, dễ dàng tích hợp trực tiếp với các vi điều khiển mà không cần qua các giao thức phức tạp. Ngoài ra, cảm biến này cũng có chi phí thấp, độ tin cậy cao và rất phù hợp cho các mô hình hoặc hệ thống mô phỏng như đề tài. 3.1.3. Khối RFID Khối RFID có nhiệm vụ nhận diện và xác thực đối tượng thông qua công nghệ nhận dạng bằng sóng vô tuyến ở nhiều tần số. Thông qua khổi RFID, người dùng có thể quẹt thẻ để mở khóa, ghi nhận lượt ra/vào hoặc kích hoạt các chức năng theo kịch bản mong muốn. Trên thị trường có khá nhiều giải pháp RFID khác nhau với các tần số phổ biến như 125 kHz (thẻ từ), 13.56 MHz (MIFARE, NFC) hoặc UHF. Module RC522 là một lựa chọn thông dụng đối với các dự án sinh viên hoặc các ứng dụng đơn giản vì một số lý do như: RC522 hỗ trợ chuẩn ISO/IEC 14443A, cho phép đọc các loại thẻ MIFARE phổ biến. Module còn được tích hợp ăng ten ngay trên board nên không đòi hỏi thiết kế phức tạp về tần số cao. RC522 còn hỗ trợ giao tiếp SPI, I2C hoặc UART giúp việc kết nối với Esp32 trở nên dễ dàng. Đồng thời chi phí của RC522 khá rẻ, thường đi kèm với thẻ hoặc tag RFID sẵn, phù hợp cho mọi đối tượng.

3.1.4. Khối điều khiển Khối điều khiển đóng vai trò tiếp nhận các tín hiệu điều khiển từ người dùng và thực hiện tác động lên các thiết bị chấp hành của hệ thống. Thông qua khối điều khiển, người dùng có thể thực hiện các thao tác như: bật/tắt thiết bị từ xa, điều khiển thiết bị bằng tín hiệu hồng ngoại (remote control), hoặc tự động điều khiển thiết bị dựa trên các điều kiện từ cảm biến. Khối điều khiển bao gồm: Module IR Receiver, Module IR Transmitter và Module Relay 5V 2 kênh.

IR Receiver và IR Transmitter được sử dụng trong hệ thống nhằm nhận và phát tín hiệu điều khiển từ xa bằng sóng hồng ngoại. Với sự phổ biến của các điều khiển hồng ngoại (IR Remote) trong các thiết bị điện tử gia dụng, việc tích hợp cặp module này giúp hệ thống dễ dàng tương thích với các remote có sẵn hoặc cho phép xây dựng các kịch bản điều khiển từ xa đơn giản. Cả hai module đều phổ biến, dễ tìm mua, có chi phí rẻ và cách sử dụng đơn giản thông qua thư viện hỗ trợ trên các nền tảng vi điều khiển như Arduino, ESP32, STM32. Module Relay 5V 2 kênh có nhiệm vụ đóng cắt các thiết bị điện trong hệ thống. Relay hoạt động như một công tắc điện tử cách ly giữa mạch điều khiển và mạch công suất, giúp vi điều khiển điều khiển trực tiếp các thiết bị sử dụng điện áp cao như đèn, quạt, hoặc các thiết bị điện khác. Lý do lựa chọn module Relay 5V 2 kênh là vì nó phù hợp với nhu cầu điều khiển 2 thiết bị độc lập trong đề tài, đồng thời relay hoạt động ổn định ở mức điều khiển từ 3V3 - 5V, tương thích trực tiếp với vi điều khiển ESP32 mà không cần thêm mạch khuếch đại công suất. Ngoài ra, module này có giá thành thấp, dễ sử dụng, có cách ly quang (optocoupler) giúp tăng độ an toàn khi điều khiển thiết bị điện. 3.1.5. App điều khiển

Ứng dụng điều khiển đóng vai trò là giao diện tương tác giữa người dùng và hệ thống. Thông qua khối này, người dùng có thể giám sát trạng thái các cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm, phát hiện chuyển động và thực hiện các thao tác điều khiển thiết bị từ xa. Ngoài ra, hệ thống còn có thể gửi các thông báo cần thiết lên ứng dụng nhằm cảnh báo hoặc cung cấp thông tin cho người dùng theo thời gian thực. Khối ứng dụng giúp nâng cao tính linh hoạt và khả năng kiểm soát của hệ thống, đặc biệt là trong các mô hình mô phỏng hoặc hệ thống thực tế.

Hiện nay có nhiều nền tảng hỗ trợ xây dựng giao diện điều khiển thiết bị IoT như: Blynk, MQTT, Firebase, Home Assistant... Tuy nhiên, với mục tiêu của đề tài là xây dựng một hệ thống điều khiển đơn giản, trực quan, nhanh chóng và phù hợp với mô hình sinh viên, nền tảng Blynk được lựa chọn nhờ một số ưu điểm nổi bật.

Blynk cung cấp sẵn một ứng dụng trực quan trên điện thoại di động (Android, iOS), cho phép tạo giao diện giám sát và điều khiển mà không cần lập trình giao diện phức tạp. Ngoài ra, Blynk hỗ trợ sẵn các widget như nút nhấn, công tắc, biểu đồ, LCD ảo... giúp người dùng dễ dàng thiết kế giao diện theo yêu cầu của hệ thống. Việc kết nối giữa thiết bị và Blynk thông qua mạng Internet (Wifi) cũng được thực hiện nhanh chóng thông qua thư viện chính thức hỗ trợ đầy đủ các nền tảng vi điều khiển như Arduino, ESP32, ESP8266... Bên cạnh đó, Blynk còn

hỗ trợ nhận và gửi dữ liệu theo thời gian thực, phù hợp với yêu cầu giám sát và điều khiển trong hệ thống.

Do vậy, em lựa chọn Blynk là nền tảng phù hợp trong phạm vi đề tài, đảm bảo tiêu chí dễ sử dụng, linh hoạt và tiết kiệm thời gian triển khai hệ thống điều khiển và giám sát 3.1.6. Khổi nguồn

Khối nguồn chịu trách nhiệm cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống hoạt động ổn định và liên tục. Khối này đảm bảo tất cả các module như vi điều khiển, cảm biến, relay và các thiết bị ngoại vi được cấp điện với điện áp và dòng điện phù hợp. Một hệ thống tự động dù đơn giản hay phức tạp đều cần một nguồn cung ổn định để đảm bảo tính tin cậy trong quá trình vận hành.

Do hệ thống sử dụng các module phổ biến như ESP32, RC522, DHT11, PIR HC-SR501, relay 5V... nên yêu cầu điện áp hoạt động chủ yếu nằm trong khoảng 3.3V đến 5V. Trong đề tài này, hệ thống sử dụng nguồn DC 5V làm nguồn chính. Nguồn 5V được cấp từ adapter hoặc cổng USB và được phân phối trực tiếp đến các module cần thiết. ESP32 sẽ tự điều chỉnh điện áp về 3.3V nội bộ để cung cấp cho các cảm biến như DHT11 hoặc các module logic mức thấp.

Giải pháp sử dụng nguồn 5V có ưu điểm đơn giản, phổ biến, dễ tìm, dễ lắp ráp, chi phí thấp và phù hợp với yêu cầu về công suất của hệ thống mô phỏng. Ngoài ra, các module relay, cảm biến PIR hay RC522 đều hoạt động tốt ở mức 5V, nên không cần thêm mạch chuyển mức điện áp, từ đó giúp giảm thiểu độ phức tạp của phần cứng. 3.2. Thiết kế phần cứng và kết nối 3.2.1. Module DHT11

DHT11 hoạt động tốt trong dải điện áp 3V3 – 5V nên em sẽ cấp nguồn 3V3 lấy từ board Esp32 để đảm bảo tính tương thích mức logic, giảm nguy cơ hỏng chân GPIO do chệnh lệch điện áp. Với module DHT11 loại 3 chân pin, ta có thể nối như sau:

DHT11 ESP32

VCC 3V3

GND GND

Data (Out) GPIO15

Bảng 3.1 Cách nối chân DHT11 Cảm biến DHT11 chỉ yêu cầu kết nối với một chân GPIO hỗ trợ đọc tín hiệu digital nên việc lựa chọn chân có tính linh hoạt cao. Trong hệ thống, chân

GPIO15 được sử dụng cho mục đích kết nối cảm biến. Lập trình viên cũng có thể linh động lựa chọn các chân GPIO khác của ESP32, miễn là đảm bảo chức năng hỗ trợ digital input. Thông tin chi tiết về sơ đồ chân và chức năng của các GPIO có thể tham khảo ở Hình 2.3.

Hình 3.2 Sơ đồ nối DHT11

3.2.2. Module HC-SR501

Cảm biến chuyển động PIR HC-SR501 hoạt động ổn định với điện áp 3.3V đến 5V, phù hợp để kết nối trực tiếp với vi điều khiển ESP32. Module này có 3 pin kết nối như sau:

HC-SR501 ESP32

VCC 3V3

GND GND

Data (Out) GPIO4

Bảng 3.2 Cách nối chân HC-SR501

Cảm biến PIR chỉ xuất tín hiệu digital mức cao hoặc thấp nên có thể kết nối với bất kỳ chân GPIO nào hỗ trợ đọc digital. Trong thiết kế, chân GPIO4 được chọn để nhận tín hiệu từ cảm biến.

Hình 3.3 Sơ đồ nối HC-SR501

3.2.3. Module RFID RC522

Module RFID RC522 hoạt động ở mức điện áp 3.3V, do đó trong hệ thống, nguồn 3.3V từ ESP32 sẽ được sử dụng để cấp nguồn cho module. Module này sử dụng giao tiếp SPI nên yêu cầu kết nối với các chân SPI tiêu chuẩn của ESP32.

RC522 ESP32

SDA GPIO5

SCK GPIO18

MOSI GPIO23

MISO GPIO19

GND GND

RST GPIO22

VCC 3V3

Bảng 3.3 Cách nối chân RC522

Hình 3.4 Sơ đồ nối RC522

3.2.4. Module thu/phát IR

Khối thu/phát IR bao gồm hai thành phần là IR Receiver và IR Transmitter. Cả hai module đều hoạt động ổn định ở điện áp 3.3V đến 5V, hoàn toàn tương thích với ESP32. Trong hệ thống, hai module này được cấp nguồn trực tiếp từ ESP32 thông qua chân 3V3 và GND.

Thu IR Phát IR ESP32

VCC VCC 3V3

GND GND GND

OUT (Data) OUT (Data) GPIO 13 - 14

Bảng 3.4 Cách nối chân module IR

Hình 3.5 Sơ đồ nối module IR

3.2.5. Relay 5V

Module Relay 5V 2 kênh có nhiệm vụ đóng cắt các thiết bị điện trong hệ thống. Relay hoạt động ổn định với điện áp 5V, có thể cấp trực tiếp từ nguồn ngoài hoặc cổng 5V của ESP32 nếu công suất tiêu thụ nhỏ. Tuy nhiên, module này vẫn có thể hoạt động với mức điện áp 3V3.

Relay 5V ESP32

DC + 3V3

DC - GND

IN 1 GPIO26

IN 2 GPIO25

Bảng 3.5 Cách nối chân Relay 5V

Hình 3.6 Sơ đồ nối Relay 5V

3.3. Thiết kế thuật toán và phần mềm 3.3.1. Module DHT11 và module RFID

Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán module DHT11 và RFID

3.3.2. Module cảm biến chuyển động HC-SR501

Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán module HC-SR501

3.3.3. App điều khiển (Blynk)

Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán app điều khiển Blynk

Để sử dụng dịch vụ của Blynk, ta cần đăng ký một tài khoản cá nhân

Hình 3.10 Giao diện Blynk

Để có thể thiết lập Blynk để sử dụng cho hệ thống Iot của mình, đầu tiên ta cần phải tạo 1 dự án mới (template). Template này sẽ bao gồm giao diện người dùng và thiết lập các luồng dữ liệu (data stream) giữa người dùng và hệ thống. Ở góc phải mục “Developer Zone” có ô “New Template”, đó sẽ là nơi chúng ta tạo template mới. Ta chỉ cần đặt tên cho template và chọn connection type là giao thức mạng được sử dụng giữa Blynk Cloud và hệ thống Iot, ở đây em sử dụng Wifi.

Hình 3.11 Form tạo Template

Sau khi đã tạo xong template, ta chuyển đến phần quan trọng nhất của Blynk, đó là luồng dữ liệu (Data Stream). Luồng dữ liệu sẽ là các thành phần trao đổi thông tin cũng như gửi đi lệnh điều khiển từ người dùng đến với hệ thống. Ở hệ thống này, em sẽ có 9 luồng dữ liệu Virtual Pin tương ứng như sau:

V0: Gửi tín hiệu bật tắt đèn, giá trị gửi đi là số nguyên 0/1

V1: Gửi tín hiệu bật tắt quạt, giá trị gửi đi là số nguyên 0/1

V2: Bật tắt Tivi, giá trị gửi đi là số nguyên 0/1

V3: Tăng âm lượng Tivi, giá trị gửi đi là số nguyên 0/1

V4: Giảm âm lượng Tivi

V5: Nhận giá trị nhiệt độ từ hệ thống, giá trị nhận được là số thập phân từ 0-100

V7: Nhận giá trị độ ẩm từ hệ thống, giá trị nhận được là số thập phân từ 0-100

V6: Gửi đi thông tin hẹn giờ

V8: Gửi tín hiệu chuyển động, giá trị gửi đi là số nguyên 0/1

Hình 3.12 Các luồng dữ liệu của hệ thống

Sau khi đã thiết lập “Data Stream” xong, ta chuyển đến thiết kế “Dashboard” là phần giao diện người dùng. Blynk cung cấp cho người dùng một lượng lớn công cụ giao diện phục vụ tùy từng mục đich và chức năng trong phần Widget Box, người dùng chỉ việc thêm các Widget đó vào Dashboard bằng cách kéo thả. Khi đã có được giao diện người dùng theo mong muốn, ta cần phải thiết lập luồng dữ liệu phù hợp cho từng Widget đó.

Trong giao diện này em sử dụng chủ yếu là các label để hiện thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm môi trường. Các nút bấm sẽ để điều khiển các thiết bị điện và có thêm 2 mục thời gian hẹn giờ để tự động hóa phòng học.

Hình 3.13 Giao diện người dùng

Khi đã hoàn thành việc thiết kế giao diện người dùng, ta cần phải tạo 1 thiết bị để sử dụng Template vừa hoàn thành. Thiết bị này sẽ tương ứng với hệ thống Iot của em và Blynk sẽ kết nối với Esp32 thông qua đó. Để Esp32 có thể nhận biết và kết nối với Blynk, ta cần tìm đến mã ID và tên Template vừa tạo ở giao diện chung của Blynk vào nhúng nó vào cùng mã nguồn Esp32.

Hình 3.14 Giao diện chung Templat

Hình 3.15 Giao diện thiết bị

Sau khi tạo thiết bị thành công, ta đưa hệ thống đi vào hoạt động, Esp32 sẽ tự kết nối tới Blynk Cloud dựa trên thông tin mà ta đã cung cấp. Khi đó trạng thái thiết bị (Status) sẽ được cập nhật lên Blynk và chuyển từ Offline sang Online với chấm màu xanh bên cạnh

CHƯƠNG 4. KIỂM THỬ VÀ ĐÁNH GIÁ

4.1. Kiểm thử

Hình 4.1 Mô hình hệ thống thực tế

Để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác theo yêu cầu thiết kế và giúp phát hiện sớm những sai sót, em xây dựng kịch bản kiểm thử bằng cách chia hệ thống thành các module chức năng riêng và kiểm thử lần lượt từng module, sau đó tiến hành kiểm thử tích hợp cả hệ thống theo các chức năng chính:  Điều khiển tự động theo lịch và thủ công  Điều khiển bằng cảm biên chuyển động  Thu thập thông tin trạng thái môi trường  Giao tiếp giữa Blynk và Esp  Điểm danh bằng RFID

Kịch bản kiểm thử được xây dựng như sau:

Chức năng ID TC1 Điều khiển relay theo lịch Các bước kiểm thử 1. Đặt giờ bắt đầu = 08:00, giờ kết thúc = 08:10 trên app Blynk 2. Kiểm tra Serial Monitor

TC2 Điều khiển relay thủ công Kết quả mong đợi 1.Serial in ra thời gian hẹn 2.Các thiết bị điện được bật tắt khi đến giờ 1.Serial in ra thông tin bật/tắt thiết bị

1. Người dùng thao tác các nút điều khiển đèn/quạt trên app Blynk 2. Kiểm tra Serial Monitor

TC3 Điều khiển relay dựa trên chuyển động khi TC1/TC2 đang hoạt động

2.Thiết bị đèn quạt được bật theo tín hiệu người dùng 1. Serial ghi nhận chuyển động 2. TÍn hiệu được ghi nhận không làm thay đổi trạng thái thiết bị 1.Serial ghi nhận chuyển động 2.Tín hiệu được ghi nhận bật đèn

TC4 Điều khiển relay dựa trên chuyển động khi TC1/TC2 không hoạt động

TC5 Đo nhiệt độ, độ ẩm ngoài trời

TC6 Đo nhiệt độ, độ ẩm trong phòng

1.Giá trị nhiệt độ sai số < 2 2.Giá trị độ ẩm sai số < 5% 1.Giá trị nhiệt độ sai số < 2 2.Giá trị độ ẩm sai số < 5%

1. TV nhận được tín hiệu điều khiển

TC7 Điều khiển TV thông qua bộ phát tín hiệu IR TC8 Điểm danh bằng 1. Thiết bị đang được điều khiển bởi TC1/TC2. 2. Tạo chuyển động bất kỳ cách cảm biến 2m 3. Kiểm tra Serial Monitor 1. Đảm bảo các thiết bị đang tắt và nằm ngoài thời gian hẹn giờ 2. Tạo chuyển động bất kỳ cách cảm biến 2m 3. Kiểm tra Serial Monitor 1.Kiểm tra nhiệt độ, độ ẩm ngoài trời bằng dự báo thời tiết 2.Đặt thiết bị ngoài trời và thực hiện đo trong khoảng 10 phút 1. Sắp đặt môi trường bằng điều hòa và máy hút ẩm 2.Đặt thiết bị trong phòng và thực hiện đo với các mức khác nhau 1.Đặt module phát ở các khoảng cách và góc độ khác nhau với TV 1. Đặt thẻ cách đầu đọc khoảng 2cm thẻ từ RFID

1. Hệ thống ghi nhận thông tin điểm danh và lưu trên Google Sheets

Bảng 4.1 Kiểm thử chức năng

Đối với kiểm thử module DHT11, vì em không có các thiết bị đo chuyên dụng để có thể làm thiết bị tham chiếu nên em quyết định sẽ sử dụng điều hòa và máy hút ẩm tại nhà để tạo ra môi trường đo một cách khách quan và đánh giá tương đối. Điều kiện phòng bao gồm đóng kín, các thiết bị điện tắt, máy điều hòa và máy hút ẩm được bật ở các mức khác nhau. Với mỗi lượt kiểm thử, điều hòa và máy hút ẩm sẽ được bật trong khoảng 30 phút rồi mới bắt đầu đo đạc trong khoảng 15p và sẽ lấy giá trị trung bình.

Giá trị sắp đặt 20 Giá trị đo được 21 TC1 Thiết bị Điều hòa

TC2 25 25.9 Điều hòa

TC3 28 28.4 Điều hòa

TC4 40 44.6 Hút ẩm

TC5 TC6 50 60 49.3 61.4

Hút ẩm Hút ẩm Bảng 4.2 Tình huống kiểm thử module DHT11

Đối với module phát tín hiệu IR, em kiểm thử module với các khoảng cách khác nhau và góc phát tín hiệu đối với TV trong môi trường ánh sáng phòng bình thường.

TC TC1 TC2 TC3 Khoảng cách (m) 1 1 1 Góc độ 0 ( trực tiếp) 30 60

TC4 TC5 TC6 TC7 1 2 2 2 75 0 30 60

TC8 TC9 2 3 75 0 Kết quả TV có phản hồi TV có phản hồi TV lúc phản hồi, lúc không TV không phản hồi TV có phản hồi TV có phản hồi TV lúc phản hồi, lúc không TV không phản hồi TV không phản hồi

Bảng 4.3 Tính huống kiểm thử module phát IR

4.2 Đánh giá Sau quá trình thiết kế, cài đặt và tiến hành kiểm thử trong môi trường mô phỏng, hệ thống quản lý lớp học thông minh đã chứng minh được tính khả thi trong thực tế, cũng như mức độ ổn định và hiệu quả khi vận hành. Các chức năng được kiểm tra độc lập và trong điều kiện hoạt động phối hợp đã cho thấy khả năng đáp ứng đúng yêu cầu kỹ thuật đặt ra trong phạm vi đề tài. Hệ thống vận hành dựa trên nền tảng vi điều khiển ESP32 kết hợp với các module cảm biến đơn giản nhưng hiệu quả như RFID RC522, DHT11, cảm biến chuyển động PIR và module relay. Nhờ việc tổ chức xử lý trong vòng lặp loop() của Arduino IDE, các chức năng của hệ thống có thể hoạt động song song, liên tục và không gây xung đột lẫn nhau. Thời gian phản hồi của hệ thống nhanh và ổn định – từ thao tác quét thẻ đến cập nhật dữ liệu môi trường, điều khiển thiết bị đều diễn ra mượt mà và không có độ trễ đáng kể. Về phần giám sát môi trường, cảm biến DHT11 hoạt động ổn định, gửi dữ liệu về nhiệt độ và độ ẩm sau mỗi chu kỳ 2 giây. Dữ liệu này được cập nhật lên Blynk theo thời gian thực, giúp giáo viên hoặc người quản lý có thể nắm bắt điều kiện lớp học, từ đó có những điều chỉnh phù hợp (ví dụ bật quạt, mở cửa, điều chỉnh điều hòa…).

Hình 4.2 Giá trị đo hiển thị trên Serial Monitor

Hình 4.3 Giá trị đo hiển thị trên Blynk

Module cảm biển HC-SR501 phản hồi nhanh chóng với chuyển động, có độ nhạy tốt và ổn định trong thời gian thử nghiệm. Khối điều khiển relay hoạt động ổn định, nhanh chóng phản hồi đúng với các lệnh yêu cầu từ người dùng. 2 module thu phát tín hiệu IR hoạt động nhanh và có độ chính xác cao, tuy nhiên vẫn có khả năng bị nhiễu tín hiệu nhận được do chất lượng thiết bị. Ứng dụng Blynk hoạt động ổn định, cung cấp thông tin trực quan chuẩn xác so với Serial Monitor, dễ sử dụng cũng như thao tác, tốc độ cập nhật dữ liệu nhanh, mang lại trải nghiệm tương tác tốt cho người dùng.

Về chức năng điểm danh, hệ thống sử dụng module RFID để quét mã thẻ của sinh viên. Kết quả kiểm thử cho thấy, việc quét thẻ diễn ra nhanh chóng, chính xác và có khả năng nhận diện tốt trong phạm vi 2–3 cm. Sau khi quét, hệ thống cập nhật dữ liệu thời gian điểm danh lên ứng dụng Blynk và đồng thời gửi thông tin đến Google Sheets. Đây là phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả để lưu trữ lịch sử điểm danh và có thể được tích hợp thêm các tính năng thống kê trong tương lai. Việc sử dụng RFID cũng giúp loại bỏ tình trạng điểm danh hộ – một vấn đề phổ biến trong các lớp học truyền thống.

Về đánh giá hiệu suất qua các bài kiểm thử, hệ thống vận hành liên tục và ổn định trong thời gian dài (trên 24 giờ). Các module hoạt động ổn định, không có dấu hiệu giảm hiệu suất hay phát sinh lỗi trong quá trình vận hành. Kết nối giữa Esp32 và Blynk được duy trì ổn định, không xuất hiện hiện tượng mất kết nối hay có độ trễ đáng kể khi điều khiển và cập nhật thông tin. Không có sự phát sinh nhiệt bất thường nào có thể gây ảnh hưởng đến độ bền của các linh kiện.

Đồng thời, hệ thống cũng có khả năng mở rộng cao, cho phép dễ dàng bổ sung thêm các loại cảm biến, module điều khiển mới và tích hợp thêm các tính năng nâng cao mà không cần thay đổi đáng kể về mặt cấu trúc phần cứng cũng như phần mềm. Hệ thống cũng có thể tích hợp với các nền tảng IoT khác như MQTT, Firebase hoặc Home Assistant để mở rộng quy mô và đưa vào giám sát, giúp nâng cao ứng dụng vào thực tế.

Tuy nhiên, bên cạnh những kết quả đạt mục tiêu, hệ thống cũng còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật. Đầu tiên là khả năng tự phát hiện lỗi phần cứng chưa được tích hợp. Hiện tại, nếu một module bị ngắt kết nối hoặc hư hỏng, hệ thống sẽ không có cảnh báo mà tiếp tục vận hành như bình thường. Điều này có thể gây hiểu nhầm nếu người sử dụng không theo dõi trạng thái liên tục. Thứ hai, hệ thống phụ thuộc hoàn toàn vào kết nối Wi-Fi và nền tảng trung gian (như Blynk hoặc Google Sheets), do đó nếu mất mạng hoặc nền tảng gặp lỗi, một số chức năng điều khiển và giám sát từ xa sẽ bị gián đoạn. Cuối cùng, việc lưu trữ dữ liệu qua Google Sheets tuy tiện lợi, nhưng còn đơn giản và thiếu các lớp bảo mật cần thiết nếu triển khai ở quy mô rộng hoặc yêu cầu tính bảo mật cao.

KẾT LUẬN

Qua quá trình nghiên cứu, xây dựng và thực hiện đề tài, em đã xây dựng được hệ thống hoàn thành tốt các mục tiêu ban đầu đề ra. Hệ thống được phát triển dựa trên nền tảng ESP32 kết hợp với các module cảm biến phổ biển như DHT11, PIR HC-SR501, RC522 cùng các module điều khiển như Relay, IR thu phát và ứng dụng Blynk. Các chức năng đã được kiểm thử kỹ lưỡng và đạt hiệu quả cao, đáp ứng đúng yêu cầu về độ tin cậy, độ ổn định và tính hữu ích trong việc quản lý, giám sát và điều khiển các thiết bị như mong đợi.

Hệ thống cho thấy sự linh hoạt và dễ dàng mở rộng, cho phép tích hợp thêm nhiều cảm biến, module khác trong tương lai mà không cần điều chỉnh quá nhiều cấu trúc ban đầu. Việc sử dụng ứng dụng Blynk đã giúp nâng cao khả năng tương tác với hệ thống, mang lại trải nghiệm điều khiển thuận tiện và dễ dàng cho người dùng.

Tuy nhiên, qua quá trình thử nghiệm, đề tài vẫn còn tồn tại một số hạn chế như độ chính xác của cảm biến DHT11 chưa cao và phạm vi đọc của RFID RC522 còn hạn chế. Vì vậy, trong thời gian tới, em sẽ nghiên cứu và tiếp tục phát triển, cải tiến bằng cách thay thế các cảm biến chính xác hơn như DHT22, BME280 hoặc các module RFID có phạm vi đọc rộng hơn. Đồng thời, việc tích hợp thêm các tính năng thông minh như cảm biến chất lượng không khí, ánh sáng hoặc các nền tảng IoT khác sẽ là hướng nghiên cứu tiềm năng, góp phần hoàn thiện hơn nữa tính ứng dụng thực tế của hệ thống.

Tổng kết lại, hệ thống đã cơ bản đáp ứng các mục tiêu nghiên cứu, là một mô hình hữu ích và thiết thực để ứng dụng vào lĩnh vực quản lý lớp học thông minh.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Espressif Systems, “ESP32-WROOM-32 datasheet,” *Espressif*.

https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32-wroom- 32_datasheet_en.pdf.

[2] MFRC522, “NXP RFID RC522 Module Datasheet,” *NXP Semiconductors*.

https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/MFRC522.pdf.

[3] Aosong Electronics, “DHT11 Humidity and Temperature Sensor datasheet,” *Aosong*.

https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Temperature/DHT11.pdf.

[4] HC-SR501, “PIR Motion Sensor datasheet,” *HC-SR*.

https://www.mpja.com/download/31227sc.pdf.

[5] Songle Relay, “SRD-05VDC-SL-C datasheet,” *Songle*.

https://datasheet.lcsc.com/lcsc/1810271410_Songle-Relay-SRD-05VDC-SL- C_C35407.pdf.

[6] VietnamNet, “Xuất hiện mô hình lớp học thông minh chuyển đổi số tại Việt Nam,” *VietnamNet*.

https://vietnamnet.vn/xuat-hien-mo-hinh-lop-hoc-thong-minh-chuyen-doi-so-tai- viet-nam-2214454.html.

[7] PHX Smart School, “Mô hình trường học thông minh và ứng dụng thực tế tại Việt Nam,” *PHX Smart School*. https://blog.phx-smartschool.com/mo-hinh-truong-hoc-thong-minh.

[8] A. H. Gandomi, M. Z. Rida, and B. Sahli, “IoT Based Smart Classroom,” *ResearchGate*, Jun. 2021.

https://www.researchgate.net/publication/352570013_IoT_Based_Smart_Classro om.

[9] S. K. Nandy, A. R. Chatterjee, and M. S. Das, “IoT-based Cloud Integrated Smart Classroom for Smart and Sustainable Campus,” *ResearchGate*, Jun. 2020. https://www.researchgate.net/publication/342225556_IoT_based_Cloud_Integrat ed_Smart_Classroom_for_smart_and_a_sustainable_Campus.

5/19/25, 4:15 PM

Turnitin - Originality Report - Khóa luận tốt nghiệp - Hà Minh Hiếu.docx

Turnitin Originality Report

Processed on: 19-May-2025 05:48 +07

ID: 2676041904

Similarity by Source

Word Count: 17183

Similarity Index

Submitted: 2

Internet Sources: 16% Publications: Student Papers:

8% 9%

16%

Khóa luận tốt nghiệp - Hà Minh Hiếu.docx By Hieu HA

4% match (Internet from 01-Dec-2020) https://www.ctu.edu.vn/images/upload/TT36/2020/Bieu_18_E.pdf

< 1% match (student papers from 04-Aug-2022) Submitted to Ho Chi Minh University of Technology and Education on 2022-08-04

< 1% match (student papers from 27-Dec-2024) Submitted to Ho Chi Minh University of Technology and Education on 2024-12-27

< 1% match (student papers from 02-Dec-2022) Submitted to Ho Chi Minh University of Technology and Education on 2022-12-02

< 1% match (student papers from 04-Jan-2023) Submitted to Ho Chi Minh University of Technology and Education on 2023-01-04

< 1% match (student papers from 21-Dec-2024) Submitted to Ho Chi Minh University of Technology and Education on 2024-12-21

< 1% match (student papers from 16-Dec-2024) Submitted to Ho Chi Minh University of Technology and Education on 2024-12-16

< 1% match (student papers from 25-Dec-2024) Submitted to Ho Chi Minh University of Technology and Education on 2024-12-25

< 1% match (student papers from 10-Jun-2024) Submitted to Ho Chi Minh University of Technology and Education on 2024-06-10

< 1% match (Internet from 26-Sep-2021) https://www.slideshare.net/trongthuy3/luan-van-che-tao-mo-hinh-nha-thong-minh-su-dung-arduino-hay

< 1% match (Internet from 10-Dec-2020) https://www.slideshare.net/trongthuy2/luan-van-thiet-ke-va-thi-cong-mo-hinh-dieu-khien-thiet-bi-dien-hay

< 1% match (Internet from 15-Nov-2020) https://www.slideshare.net/trongthuy2/luan-van-he-thong-giam-sat-chi-so-moi-truong-va-hien-thi-thong-tin-tren-web

< 1% match (Internet from 11-Jul-2021) https://www.slideshare.net/trongthuy2/luan-van-thiet-ke-he-thong-dieu-khien-cac-thiet-bi-trong-phong-hoc

< 1% match (Internet from 26-Feb-2022) https://www.slideshare.net/VcoiVit/to-chuc-bai-giang-cho-dttx-40093026

< 1% match (Internet from 20-Feb-2022) https://www.slideshare.net/duongbff/giao-thc-mac-a-knh-trong-vanets-ieee-16094

< 1% match (student papers from 15-Mar-2025) Submitted to Thai Nguyen University of Education on 2025-03-15

< 1% match (student papers from 16-Mar-2025) Submitted to Thai Nguyen University of Education on 2025-03-16

< 1% match (student papers from 11-Apr-2025) Submitted to Thai Nguyen University of Education on 2025-04-11

< 1% match (student papers from 16-Apr-2025) Submitted to Thai Nguyen University of Education on 2025-04-16

< 1% match (student papers from 25-Apr-2025) Submitted to Thai Nguyen University of Education on 2025-04-25

< 1% match (student papers from 11-May-2024) Submitted to Thai Nguyen University of Education on 2024-05-11

< 1% match (student papers from 13-May-2025) Submitted to National Economics University on 2025-05-13

< 1% match (student papers from 07-Mar-2025) Submitted to National Economics University on 2025-03-07

https://www.turnitin.com/newreport_printview.asp?eq=1&eb=1&esm=20&oid=2676041904&sid=0&n=0&m=2&svr=6&r=40.91242261432958&lang=en… 1/12

Khóa luận tốt nghiệp: Xây dựng hệ thống quản lý lớp học thông minh dựa trên Internet of Things

Luận văn xây dựng hệ thống quản lý lớp học thông minh dựa trên IoT, tự động hóa điểm danh, điều khiển thiết bị, giám sát môi trường từ xa.

Chủ đề:

ĐẠI HỌC KINH TẾ QUỐC DÂN TRƯỜNG CÔNG NGHỆ

2 0 2 4

.

2

K H O A H Ọ C M Á Y T Í N H

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Xây dựng hệ thống quản lý lớp học thông minh dựa trên Internet of Things

: Hà Minh Hiếu

Tên sinh viên Giảng viên hướng dẫn : Phạm Minh Hoàn

H À M I N H H

I Ế U

1 1 2 1 2 2 2 7

Hà Nội, 5/2025

ĐẠI HỌC KINH TẾ QUỐC DÂN TRƯỜNG CÔNG NGHỆ ----------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Xây dựng hệ thống quản lý lớp học thông minh dựa trên Internet of Things

: Hà Minh Hiếu : 11212227 : Khoa học máy tính K63 : Khoa học máy tính : Công nghệ thông tin

Tên sinh viên Mã sinh viên Lớp Ngành Khoa Giảng viên hướng dẫn : Phạm Minh Hoàn

Hà Nội, 5/2025

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG, BIỂU ĐỒ

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1. Đặt vấn đề

1.4. Mục tiêu của đề tài quyết các vấn đề và hỗ trợ giảng viên như sau:

1.6.2. Đối tượng nghiên cứu

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2.2. Ưu nhược điểm chính của mô hình lớp học thông minh Ưu điểm:

2.4.7.3. Ý nghĩa chân nối của relay Nhóm chân điều khiển (từ vi điều khiển)  VCC: Cấp nguồn 5V cho module.  GND: Chân nối đất. 

2.4.9. Google App Script

CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1. Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống em đã phân chia thành các khối dựa trên các chức năng chính như sau.

3.2.2. Module HC-SR501

3.2.3. Module RFID RC522

3.2.4. Module thu/phát IR

3.2.5. Relay 5V

3.3. Thiết kế thuật toán và phần mềm 3.3.1. Module DHT11 và module RFID

3.3.2. Module cảm biến chuyển động HC-SR501

3.3.3. App điều khiển (Blynk)

CHƯƠNG 4. KIỂM THỬ VÀ ĐÁNH GIÁ

4.1. Kiểm thử

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Similarity by Source

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi