Hệ thống cần phải hiển thị thông tin người dùng 1 (tên giảng viên, bộ môn) lên giao diện chính, đồng thời thiết lập các trạng thái mặc định của các thiết bị trong lớp học. Các trạng thái mặc định này được thu thập từ trước tùy theo sở thích của từng giảng viên. Thông tin này cùng với tên giảng viên, bộ môn được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu. Thông tin người dùng 1 được cài đặt như sau:
- Tên: Nguyễn Văn A
- Bộ môn: Tin học công nghiệp
- Trạng thái mặc định: 2 đèn sáng, 2 rèm đóng, 2 cửa sổ đóng 4.2.2 Kịch bản 2: Người dùng 2 đăng nhập thành công
Hệ thống cần phải hiển thị thông tin người dùng 2 (tên giảng viên, bộ môn) lên giao diện chính, đồng thời thiết lập các trạng thái mặc định của các thiết bị trong lớp học. Các trạng thái mặc định này được thu thập từ trước tùy theo sở thích của từng giảng viên. Thông tin này cùng với tên giảng viên, bộ môn được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu. Thông tin người dùng 2 được cài đặt như sau:
- Tên: Nguyễn Thị B
- Bộ môn: Khoa học máy tính
- Trạng thái mặc định: 2 đèn tắt, 2 rèm đóng, 2 cửa sổ đóng
4.2.3 Kịch bản 3: Người dùng điều khiển các thiết bị bằng nút nhấn
Sau khi đăng nhập thành công, hệ thống cần sẵn sàng cho các yêu cầu điều khiển các thiết bị từ người dùng, bao gồm các tín hiệu:
- Bật tắt đèn 1, 2. - Đóng mở cửa sổ 1, 2.
- Đóng mở rèm 1, 2. Đặc biệt, hệ thống có khả năng cho phép người dùng điều khiển các mức độ mở rèm khác nhau, cụ thể là mở 50% hay 100%. 4.2.4 Kịch bản 4: Người dùng điều khiển các thiết bị bằng giọng nói
Ngoài việc điều khiển bằng các nút nhấn trên giao diện, hệ thống cũng cho phép người dùng điều khiển các thiết bị bằng giọng nói, bao gồm các tín hiệu:
- Bật tắt đèn 1, 2. - Đóng mở cửa sổ 1, 2.
- Đóng mở rèm 1, 2. Đặc biệt, hệ thống có khả năng cho phép người dùng điều khiển các mức độ mở rèm khác nhau, cụ thể là mở 50% hay 100%. - Bật tắt cả 2 đèn.
- Đóng mở cả 2 rèm. - Đóng mở cả 2 cửa sổ.
75 4.2.5 Kịch bản 5: Trời mưa
Hệ thống được trang bị cảm biến mưa phải có khả năng phát hiện tín hiệu trời mưa và gửi về vi điều khiển để thực hiện lệnh đóng các cửa sổ.
4.2.6 Kịch bản 6: Điều hòa bật
Hệ thống được thiết kế có khả năng phát hiện tín hiệu bật điều hòa bằng việc sử dụng cảm biến đo dòng ACS712. Về mặt lý thuyết, khi điều hòa tắt, giá trị dòng xoay chiều ra bằng 0. Khi điều hòa được bật, giá trị dòng xoay chiều ra tăng nhanh. Tín hiệu analog này được đưa qua bộ ADC trong vi điều khiển để xử lý. Sau quá trình tính toán giá trị dòng, nếu giá trị này lớn hơn 0, vi điều khiển thực hiện lệnh đóng 2 cửa sổ. Trên thực tế có thể tích hợp cả cửa chính vào hệ thống. Việc đóng cửa tự động này có mục đích tiết kiệm điện và việc điều khiển hoàn toàn tự động, người dùng không cần phải thực hiện thêm lệnh điều khiển nào khác.
Để mô phỏng kịch bản này, tôi sử dụng 1 bóng đèn 220V và một công tắc thay cho điều hòa. Khi công tắc bật, tương đương với việc bật điều hòa, giá trị dòng lớn hơn 0, vi điều khiển thực hiện lệnh đóng 2 cửa sổ.
4.2.7 Kịch bản 7: Máy chiếu bật
Hệ thống được thiết kế có khả năng phát hiện tín hiệu bật máy chiếu bằng việc sử dụng cảm biến đo dòng ACS712. Về mặt lý thuyết, khi máy chiếu tắt, giá trị dòng xoay chiều ra bằng 0. Khi máy chiếu được bật, giá trị dòng xoay chiều ra tăng nhanh. Tín hiệu analog này được đưa qua bộ ADC trong vi điều khiển để xử lý. Sau quá trình tính toán giá trị dòng, nếu giá trị này lớn hơn 0, vi điều khiển thực hiện lệnh đóng rèm 1 và tắt đèn 1 (rèm 1 và đèn 1 ở gần khu vực màn chiếu) để giảm ánh sáng khu vực màn chiếu. Việc này có mục đích thuận tiện cho người dạy và người học trong quá trình sử dụng máy chiếu và việc điều khiển hoàn toàn tự động, người dùng không cần phải thực hiện thêm lệnh điều khiển nào khác. Để mô phỏng kịch bản này, tôi sử dụng 1 bóng đèn 220V và một công tắc thay cho máy chiếu. Khi công tắc bật, tương đương với việc bật máy chiếu, giá trị dòng ra lớn hơn 0, vi điều khiển thực hiện lệnh đóng rèm và tắt đèn ở khu vực gần màn chiếu.
4.3 Hướng dẫn sử dụng hệ thống
4.3.1 Sử dụng mô hình phần cứng
Phần cứng của hệ thống được thiết kế đơn giản, đảm bảo đáp ứng đủ các chức năng cần có như giám sát nhiệt độ lớp học, cho phép đăng nhập bằng vân tay, là board mạch điều khiển chính cho các thiết bị trong lớp học…
Các bước sử dụng hệ thống phần cứng:
Bước 1: Cấp nguồn cho hệ thống. Hệ thống sử dụng nguồn từ adapter 5VDC/2A. Khi được cấp nguồn, hệ thống khởi tạo các cấu hình mặc định cho lớp học như 2 đèn tắt, 2 rèm đóng, 2 cửa sổ đóng, thông số nhiệt độ được hiển thị trên màn hình LCD.
76
Bước 2: Người dùng thực hiện thao tác kết nối và đăng nhập trên phần mềm để vào giao diện điều khiển chính. Tại đây, người dùng có thể thực hiện các chức năng đa dạng như: điều khiển các thiết bị trong lớp học, chỉnh sửa thông tin người dùng, xem thông tin ứng dụng, đăng xuất…
Hình 4.25 Board mạch điều khiển chính của hệ thống
Phần cứng của hệ thống gồm các phần chính:
1. Cảm biến đo dòng ACS712 kết nối với đèn 220v với mục đích mô phỏng việc bật tắt điều hòa (hoặc máy chiếu).
2. Cảm biến vân tay R305 cho ứng dụng thu thập vân tay người dùng và giao tiếp với vi điều khiến chính.
3. Cảm biến nhiệt độ LM35 với mục đích giám sát nhiệt độ lớp học.
4. Màn hình hiển thị LCD và module chuyển đổi I2C để hiển thị thông tin tên và nhiệt độ lớp học.
5. Vi điều khiển chính Stm32f103c8t6.
6. Module bluetooth HC-06 làm nhiệm vụ truyền thông giữa vi điều khiển và phần mềm điều khiển qua chuẩn bluetooth.
7. Vị trí kết nối cảm biến mưa cho mục đích phát hiện trời mưa để đóng cửa sổ.
8. Vị trí kết nối 2 công tắc hành trình cho ứng dụng đóng rèm khi đến điểm giới hạn.
9. Module rơ le 2 kênh kết nối với 2 đèn 220V của lớp học.
10.Module L298 kết nối với 2 động cơ 1 chiều cho ứng dụng điều khiển rèm của lớp học.
11.Vị trí kết nối 2 động cơ servo cho ứng dụng điều khiển 2 cửa sổ của lớp học.
77 4.3.2 Sử dụng phần mềm điều khiển
Phần mềm điều khiển được đóng gói thành file *.apk và có thể được cài đặt trên bất cứ thiết bị di động thông minh nào trên nền tảng Android.
Sau khi cài đặt, người dùng thực hiện việc kết nối như sau:
Bước 1: Khi mở ứng dụng, giao diện đăng nhập được hiển thị. Người dùng ấn chọn tính năng cho phép kết nối bluetooth.
Hình 4.26 Giao diện đăng nhập ứng dụng
Bước 2: Ứng dụng hiển thị các thiết bị bluetooth khả dụng. Người dùng chọn thiết bị phù hợp để kết nối (trong đề tài này là module bluetooth HC-06).
Hình 4.27 Giao diện kết nối bluetooth
Bước 3: Nếu việc kết nối với thiết bị bluetooth thành công, ứng dụng hiển thị hộp thoại xác nhận người dùng có muốn đăng nhập bằng vân tay hay không.
78
Hình 4.28 Hộp thoại xác nhận đăng nhập bằng vân tay
Bước 4: Sau khi xác nhận cho phép đăng nhập bằng vân tay, ứng dụng gửi tín hiệu đến board mạch phần cứng. Khi đó, đèn báo trên cảm biến vân tay sáng liên tục, người dùng đưa ngón tay đặt vào.
- Nếu vân tay là hợp lệ và đã được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu, ứng dụng chuyển sang giao diện điều khiển chính. Giao diện này có đầy đủ thông tin người dùng (tên, bộ môn) và các nút nhấn chức năng để điều khiển các thiết bị. Ngoài ra, ứng dụng cũng có thêm một số tính năng như cho phép điều khiển bằng giọng nói, chỉnh sửa thông tin người dùng, xem thông tin ứng dụng, đăng xuất.
- Nếu vân tay chưa được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu, người dùng cần phải liên hệ với quản trị viên để được xác nhận và thêm mới vào hệ cơ sở dữ liệu.
Hình 4.29 Giao diện điều khiển chính
Bước 5: Người dùng thực hiện điều khiển các thiết bị trong lớp học thông qua các nút nhấn có hình ảnh trực quan hoặc điều khiển bằng giọng nói. Ngoài ra, ứng dụng cũng có thêm một số tính năng bổ sung như chỉnh sửa thông tin người dùng, xem thông tin ứng dụng, đăng xuất.
- Nếu người dùng chọn tính năng “Chỉnh sửa thông tin người dùng”, ứng dụng hiển thị hộp thoại yêu cầu nhập thông tin mới. Người dùng tiến hành nhập thông tin cần chỉnh sửa, nếu thông tin nhập vào là hợp lệ, hệ thống đưa ra thông báo chỉnh sửa thành công. Nếu thông tin nhập vào không hợp lệ (sai cú pháp, trùng với thông tin cũ…), ứng dụng đưa ra cảnh báo và yêu cầu người dùng nhập lại.
79
Hình 4.30 Hộp thoại chỉnh sửa thông tin người dùng
- Nếu người dùng chọn tính năng “Xem thông tin ứng dụng”, ứng dụng hiển thị hộp thoại thông tin ứng dụng, bao gồm người phát triển, đơn vị, thời gian…
Hình 4.31 Hộp thoại xem thông tin app
- Nếu người dùng chọn tính năng “Đăng xuất” trên giao diện chính, chương trình thoát khỏi giao diện điều khiển chính và quay lại giao diện đăng nhập ban đầu. Khi đó người dùng cần phải kết nối lại bluetooth và đăng nhập lại để có thể truy cập vào hệ thống điều khiển lớp học.
80
CHƯƠNG 5.KẾT QUẢĐÁNH GIÁ KẾT LUẬN
Chương này đưa ra kết quả đạt được sau thời gian nghiên cứu, thiết kế, thi công mô hình hệ thống hoàn chỉnh, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống, ý nghĩa thực tiễn của đề tài cùng với việc trình bày những kết luận về hệ thống, những phần đã làm được và chưa làm được, đồng thời đưa ra hướng phát triển cho hệ thống.
5.1 Kết quả
5.1.1 Tìm hiểu lý thuyết
Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này, bản thân tôi đã đạt được những thành công nhất định trong việc tìm hiểu, nghiên cứu các đối tượng liên quan đến đề tài, bao gồm các linh kiện điện - điện tử, các chuẩn giao tiếp, truyền tin, lý thuyết về hệ điều hành Android và các phần mềm lập trình. Cụ thể như sau:
Nghiên cứu và sử dụng tốt vi điều khiển Stm32f103c8t6, ứng dụng hiệu quả nó trong dự án.
Nghiên cứu và hiểu được nguyên lí hoạt động và cách thức giao tiếp với vi điều khiển của các cảm biến vân tay R305, cảm biến nhiệt độ LM35, cảm biến mưa, cảm biến đo dòng ACS712, công tắc hành trình.
Nghiên cứu, tìm hiểu về các chuẩn truyền thông: Bluetooth, UART, I2C.
Tìm hiểu việc thiết kế mạch ứng dụng từ relay điều khiển các thiết bị công suất nhỏ.
Tìm hiểu cách sử dụng và giao tiếp với vi điều khiển của 1 số loại động cơ: động cơ 1 chiều, động cơ servo.
Tìm hiểu về lập trình Android và cách thiết kế ứng dụng điều khiển đa chức năng trên nền tảng Android.
Tiếp cận, củng cố việc sử dụng nhiều phần mềm có chức năng chuyên biệt như: KeilC, Altium, Android Studio, Proteus.
5.1.2 Triển khai thực hiện
Trên nền tảng việc tìm hiểu, nghiên cứu các đối tượng liên quan đến đề tài, kết hợp với quá trình mô phỏng, thiết kế, thử nghiệm, cùng với sự giúp đỡ tận tình thầy hướng dẫn và các thầy cô giáo trong ngành, tôi đã hoàn thành việc xây dựng một mô hình thực tế đáp ứng được những yêu cầu của đề tài. Cụ thể như sau:
Thi công mô hình thực nghiệm đơn giản, trực quan và có tính kiểm tra, đánh giá cao.
Tính toán, thiết kế, lựa chọn linh kiện phù hợp để hoàn thiện được board mạch phần cứng để đáp ứng được các chức năng yêu cầu như đầy đủ các thiết bị cơ bản cho một lớp học thông thường như đèn, rèm, cửa sổ, màn hình hiển thị, cùng với vi điều khiển trung tâm có khả năng giao tiếp với phần mềm điều khiển và thực hiện các lệnh điều khiển. Ngoài ra hệ thống được trang bị các cảm biến để xử lý tín hiệu và giao tiếp với vi điều khiển chính.
81
Thiết kế ứng dụng điều khiển trên điện thoại thông minh. Ứng dụng có giao diện được thiết kế đơn giản, trực quan, bao gồm nhiều màn hình khác nhau đáp ứng đủ các chức năng chính của hệ thống như cho phép người dùng kết nối Bluetooth, đăng nhập bằng vân tay, điều khiển các thiết bị điện bằng nút nhấn hoặc bằng giọng nói, chỉnh sửa thông tin người dùng…
Xây dựng các kịch bản mô phỏng cho phòng học để phục vụ cho việc kiểm thử hệ thống. Đây là những kịch bản thường xuyên xảy ra trong quá trình vận hành của một lớp học. Việc này nhằm mục đích xác nhận hệ thống có hoạt động đúng chức năng và ổn định hay không.
Tham gia hoàn thiện một bài báo khoa học về vấn đề nghiên cứu của luận văn tốt nghiệp. Bài báo được thẩm định kỹ lưỡng từ các nhà chuyên môn và được trình bày tại Hội nghị Khoa học kỹ thuật Đo lường toàn quốc lần thứ VII/2020.
Một số hình ảnh của hệ thống như sau:
Hình 5.1 Mô hình luận văn tốt nghiệp
Mô hình hệ thống trong luận văn tốt nghiệp này được xây dựng về cơ bản giống với một lớp học thông thường, với các thiết bị cơ bản như đèn, rèm, cửa sổ, bảng điều khiển… Tuy nhiên, đây là một mô hình thí nghiệm với các thiết bị công suất thấp với mục đích chủ yếu là để mô phỏng, nhưng là tiền đề quan trọng trong việc nâng cấp sản phẩm thành các mô hình có ứng dụng cao trong thực tiễn.
Sự khác biệt của hệ thống này so với các hệ thống lớp học ở Việt Nam hiện này là sự thông minh hóa việc điều khiển lớp học bằng việc ứng dụng công nghệ cao: tính bảo mật cao nhờ tính năng cho phép đăng nhập bằng vân tay, điều khiển bằng giọng nói, giám sát nhiệt độ, tự động đóng cửa sổ khi có mưa, tự động giảm độ sáng trong lớp học, kéo rèm cửa khi giáo viên sử dụng máy chiếu…
82
Hình 5.2 Board mạch điều khiển chính
Các vị trí trên board mạch điều khiển của hệ thống
1. Cảm biến đo dòng ACS712 kết nối với đèn 220v với mục đích mô phỏng việc bật tắt điều hòa (hoặc máy chiếu).
2. Cảm biến vân tay R305 cho ứng dụng thu thập vân tay người dùng và giao tiếp với vi điều khiến chính.
3. Cảm biến nhiệt độ LM35 với mục đích giám sát nhiệt độ lớp học.
4. Màn hình hiển thị LCD và module chuyển đổi I2C để hiển thị thông tin tên và nhiệt độ lớp học.
5. Vi điều khiển chính Stm32f103c8t6.
6. Module bluetooth HC-06 làm nhiệm vụ truyền thông giữa vi điều khiển và phần mềm điều khiển qua chuẩn bluetooth.
7. Vị trí kết nối cảm biến mưa cho mục đích phát hiện trời mưa để đóng cửa sổ.
8. Vị trí kết nối 2 công tắc hành trình cho ứng dụng đóng rèm khi đến điểm giới hạn.
9. Module rơ le 2 kênh kết nối với 2 đèn 220V của lớp học.
10.Module L298 kết nối với 2 động cơ 1 chiều cho ứng dụng điều khiển rèm của lớp học.
11.Vị trí kết nối 2 động cơ servo cho ứng dụng điều khiển 2 cửa sổ của lớp học.
12.Vị trí cắm adapter cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống phần cứng.
5.2 Ý nghĩa thực tiễn
Ở Việt Nam, công nghệ Internet of Things đang phát triển rất mạnh mẽ và có nhiều