Thiết kế “Mô hình thí nghiệm IoT” ứng dụng trong giảng dạy bậc Đại học

 mạng không dây LoRa. Hình 7 cho thấy tín hiệu mà mô-đun “IoT 
Gateway” truyền đến mô-đun “IoT Node”. Hình 8 mô tả kết quả việc nhận dữ liệu của mô-đun “IoT 
Node” tại các vị trí khác nhau. Nếu mô-đun “IoT Node” nhận được tín hiệu được gửi đến từ mô-đun “IoT 
Gateway”, thì khi đó một LED màu xanh lá sẽ bật sáng lên. 
Trường hợp 2: Kiểm tra tại Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Thực hiện việc xác minh kết 
quả truyền nhận qua mạng LoRa bằng cách việc kiểm tra ngoài trời tại Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ 
Chí Minh. Hình 9 mô tả khoảng cách mà mô-đun “IoT Gateway” truyền dữ liệu tới mô-đun “IoT Node”, 
khoảng 203,38 mét. 
Tóm lại, khoảng cách truyền dữ liệu giữa mô-đun “IoT Gateway” và mô-đun “IoT Node” là khoảng 200 
mét khi có chướng ngại vật. Đây là một khoảng cách lớn có thể được áp dụng cho nhiều ứng dụng trong 
nông nghiệp thông minh, nhà thông minh và nhà máy thông minh. 
4.2. Kiểm tra chức năng thu thập dữ liệu và điều khiển 
Trường hợp 3: Dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm được thu thập mỗi 5 phút tại mô-đun “IoT Node” bằng cảm 
biến DHT22. “IoT Node” cũng được tích hợp trên đó 4 ngõ ra Relay để điều khiển trực tiếp các thiết bị 
chấp hành dùng điện áp xoay chiều. Sơ đồ khối thực hiện thí nghiệm như mô tả ở hình 10. 
 Hình 10. Thu thập dữ liệu và điều khiển 
 Hình 11. Thu thập dữ liệu từ “IoT Node” gửi lên đám mây để lưu trữ thông qua “IoT Gateway” 
© 2020 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 
 THIẾT KẾ “MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY 69 
 BẬC ĐẠI HỌC 
Thiết bị này được đặt trong phòng trống để thu thập dữ liệu trong vòng 7 ngày, từ ngày 06/07/2019 đến 
ngày 13/07/2019 (xem minh họa trong Hình 11). Dữ liệu được truyền từ mô-đun “IoT Node” đến mô-đun 
“IoT Gateway” thông qua truyền thông LoRa và từ sau đó dữ liệu này được gửi từ mô-đun cổng IoT lên 
đám mây để lưu trữ. 
5 ÁP DỤNG GIẢNG DẠY 
Việc thiết kế các bài LAB để giảng dạy thí nghiệm IoT cho sinh viên Đại học được tiếp cận theo mức độ 
phức tạp từ dễ đến khó và tiếp cận học tập dựa trên dự án PBL (Project based learning). Các dự án hiệu 
quả là những vấn đề thu hút sự quan tâm của sinh viên và thúc đẩy họ khám phá để hiểu sâu hơn về các 
yêu cầu đã cho. Các dự án tốt yêu cầu học sinh hình thành ý tưởng hoặc phán đoán dựa trên các sự kiện 
có thể là kiến thức trước, thông tin được đưa ra trong kịch bản và logic. Học tập dựa trên dự án thường 
bao gồm một số bước như hình 12. 
 Hình 12. Lưu đồ thực hiện học qua dự án PBL 
 Hình 13. Các khối kiến thức được đề xuất trong bài giảng 
 © 2020 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 
70 THIẾT KẾ “MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY 
 BẬC ĐẠI HỌC 
Môn học này trong chương trình đào tạo là môn học 2 TC thực hành (60 tiết), sau khi học môn học này, 
người học có khả năng: tư duy phân tích và lựa chọn thiết bị phần cứng, truyền thông và phần mềm cho 
một ứng dụng IoTs trong công nghiệp; Thiết kế, lập trình và chạy thử nghiệm một ứng dụng IoTs. Do đó, 
các nội dung được thiết kế cho người học như hình 13. 
5.1. Lập trình cơ bản - 30 tiết 
 Dự án 1. Lập trình cơ bản – 10 tiết (500 phút) 
 Mục tiêu: Đo nhiệt độ và độ ẩm của môi trường 
 và gửi dữ liệu lên Server; Dữ liệu này được giám 
 sát từ xa qua mạng Internet trên Website. Sơ đồ 
 khối như mô tả ở hình 14. 
 Thiết bị: 
 - Máy tính nhúng Raspberry Pi 3+. 
 - Cảm biến DHT22. 
 - Điện trở 10K. 
 - Dây cáp các loại. 
 Yêu cầu dự án: Lập trình sao cho máy tính nhúng 
 Raspberry Pi 3+ có thể liên tục thu thập dữ liệu 
 nhiệt độ và độ ẩm của môi trường. Sau đó cập nhật 
 các dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm này lên Server theo 
 thời gian thực. Thông qua mạng Internet, máy tính 
 và các thiết bị di động khác có thể được sử dụng 
 để giám sát được sự biến động về nhiệt độ và độ 
 Hình 14. Sơ đồ khối dự án 1 
 ẩm của môi trường từ một giao diện Web.
 Dự án 2. Lập trình ứng dụng “IoT Gateway” 
 – 5 tiết (250 phút) 
 Mục tiêu: Điều khiển bật/tắt bóng đèn AC từ 
 xa qua mạng Internet, sơ đồ khối ở hình 15. 
 Thiết bị: 
 - Mô-đun “IoT Gateway”. 
 - Bóng đèn AC 220V. 
 - Công tắc cảm ứng. 
 - Dây cáp các loại. 
 Yêu cầu dự án: Lập trình sao cho “IoT 
 Gateway” điều khiển bật/tắt bóng đèn AC bằng 
 công tắc cảm ứng tại chỗ. Hoặc thông qua 
 mạng Internet, máy tính và các thiết bị di động 
 khác có thể được sử dụng để điều khiển bật/tắt 
 bóng đèn AC này từ một giao diện Web. Hình 15. Sơ đồ khối dự án 2 
Dự án 3. Lập trình ứng dụng “IoT Node” tích hợp – 15 tiết (750 phút) 
Mục tiêu: Điều khiển bật/tắt bóng đèn AC từ xa qua mạng Internet, các bóng đèn được lắp trên 3 trạm 
khác nhau như hình 16. 
Thiết bị: 
 - Mô-đun “IoT Gateway”. 
 - Mô-đun “IoT Node”. 
 - Bóng đèn AC 220V. 
 - Công tắc cảm ứng. 
 - Dây cáp các loại. 
Yêu cầu dự án: Lập trình sao cho “IoT Gateway” thông qua mạng LoRa có thể thu thập dữ liệu từ các 
mô-đun “IoT Node” và điều khiển hoạt động của các mô-đun này. Các “IoT Node” sẽ truyền thông với 
“IoT Gateway” để có thể điều khiển bật/tắt bóng đèn AC bằng công tắc cảm ứng tại chỗ. Hoặc thông qua 
© 2020 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 
 THIẾT KẾ “MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY 71 
 BẬC ĐẠI HỌC 
mạng Internet, máy tính và các thiết bị di động khác có thể được sử dụng để điều khiển bật/tắt bóng đèn 
AC này từ một giao diện Web. 
 Hình 16. Sơ đồ khối dự án 3 
5.2. Ứng dụng Smart Home - 30 tiết 
Dự án 4. Thiết kế nhà thông minh – 30 tiết (1.500 phút) 
Mục tiêu: Thiết kế và thi công ứng dụng nhà thông minh (Smart Home) trong thực tế. Smart Home sẽ kết 
nối tất cả các thiết bị điện – điện tử trong ngôi nhà của mình lại với nhau thành một hệ thống. Từ đó chủ 
nhân của ngôi nhà có thể điều khiển chúng một cách trực tiếp thông qua các thiết bị được gắn cố định 
trong nhà hoặc điều khiển từ xa thông qua máy tính và Smart Phone. Smart Home cũng có thể hoạt động 
một cách tự động dựa trên các chế độ làm việc thông minh. 
Thiết bị: 
 - Mô-đun “IoT Gateway”; Mô-đun “IoT Node”. 
 - Bóng đèn AC 220V; Công tắc cảm ứng; Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm; Cảm biến ánh sáng; Cảm biến 
 kính vỡ; Cảm biến chuyển động; Cảm biến cháy; Cảm biến khí gas; Cảm biến khói; Cảm biến 
 đóng/mở cửa; Hệ thống bơm tưới cây xanh, tiểu cảnh, hồ cá,; Hệ thống màn che nắng; Hệ 
 thống động cơ điều khiển đóng mở cửa; Hệ thống chuông báo động. 
Yêu cầu dự án: Dựa vào ý tưởng mà bạn muốn thiết kế mà ngôi nhà của bạn có thể có các tính năng khác 
nhau. Tuy nhiên, thông thường một Smart Home bao gồm các thành phần như mô tả hình 17. Trong đó: 
 - “IoT Node” - Room: Thu thập dữ liệu từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng để gửi về “IoT 
 Gateway”. Nhận dữ liệu từ “IoT Gateway” để điều khiển các thiết bị điện tử và thiết bị chiếu sáng 
 trong phòng hoặc có thể điều khiển trực tiếp thông qua các công tắc cảm ứng tại phòng. 
 - “IoT Node” – Garden: Thu thập dữ liệu từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm để gửi về “IoT 
 Gateway”. Nhận dữ liệu từ “IoT Gateway” để điều khiển hệ thống bơm nước tưới cây, tiểu cảnh, 
 bể cá cảnh và hệ thống che nắng mưa sân vườn hoặc có thể điều khiển trực tiếp thông qua các 
 công tắc cảm ứng tại sân vườn. 
 - “IoT Node” – Security: Thu thập dữ liệu từ các cảm biến để gửi về “IoT Gateway” nhằm đảm bảo 
 an ninh cho nhà, chống xâm nhập trái phép (cảm biến phát hiện mở cổng, phát hiện chuyển động, 
 phát hiện kính vỡ), kiểm soát các nguy cơ cháy nổ. Nhận dữ liệu từ “IoT Gateway” để điều khiển 
 hệ thống đóng mở cổng và hệ thống chuông báo động. 
 © 2020 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 
72 THIẾT KẾ “MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY 
 BẬC ĐẠI HỌC 
 - “IoT Gateway”: Thu thập toàn bộ dữ liệu từ các “IoT Node” trong hệ thống Smart Home, cập 
 nhật dữ liệu lên Cloud Server theo thời gian thực. Nhận dữ liệu điều khiển các thiết bị trong nhà 
 từ máy tính và smartphone của người dùng thông qua Cloud Server. 
 - Cloud Server: Lưu trữ dữ liệu của toàn hệ thống Smart Home theo thời gian thực, cung cấp dữ 
 liệu cho người dùng qua các Web App. 
 Hình 17. Sơ đồ khối các thành phần một Smart Home. 
5.3. Kế hoạch giảng dạy và đánh giá 
Dựa vào các nội dụng giảng dạy được trình bày ở mục 5.1 và 5.2, trong phần này chúng tôi sẽ trình bày 
kế hoạch triển khai giảng dạy và phương pháp đánh giá được áp dụng. 
 Chuẩn đầu ra (course learning outcomes): Khi hoàn thành học phần, người học có khả năng: 
 CLOs Chuẩn đầu ra của học phần 
 1 Có khả năng phân tích, thiết kế giải thuật và lập trình ứng dụng IoT. 
 2 Thiết kế được ứng dụng IoT trong công nghiệp với các ràng buộc về kỹ thuật, an 
 toàn và môi trường. 
 Kế hoạch và phương pháp giảng dạy 
 Số Phương pháp 
 STT Nội dung giảng dạy CLOs 
 tiết giảng dạy 
 5.1. Lập trình cơ bản - 30 tiết 30 
 1 Dự án 1 (Mục tiêu, các yêu cầu xem trình bày ở trên) 10 1 L, Q 
 2 Dự án 2 (Mục tiêu, các yêu cầu xem trình bày ở trên) 5 1 O, D, P 
 3 Dự án 3 (Mục tiêu, các yêu cầu xem trình bày ở trên) 15 1 O, D, P 
 5.2. Ứng dụng Smart Home - 30 tiết 30 
 4 Dự án 4 (Mục tiêu, các yêu cầu xem trình bày ở trên) 30 2 PBL 
 Cộng 60 
 Trong đó: L: Lecture, O: Observe, D: Discussion, PBL: Project Based Learning, P: Practices 
 Phương pháp đánh giá các chuẩn đầu ra của học phần 
 Đến hiện tại, chúng tôi đã triễn khai giảng dạy thử nghiệm thành công 02 lớp Đại học năm 3 ngành 
 Điện tử - máy tính . Trong học kỳ tiếp theo, chúng tôi sẽ tiếp tục triễn khai trên các sinh viên Đại học 
 ngành Điện tử - viễn thông và sẽ thực hiện các khảo sát từ sinh viên, phân tích kết quả học tập chi tiết 
 để thấy rõ hơn tác động của mô hình thí nghiệm IoT trong giảng dạy sinh viên. 
© 2020 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 
 THIẾT KẾ “MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY 73 
 BẬC ĐẠI HỌC 
 CLOs Phương pháp đánh giá Tỷ trọng % 
 Kỹ năng thực hành (Lab skills) 70 
 1 
 Báo cáo thực hành (Lab report) 30 
 Kỹ năng thực hành (Lab skills) 20 
 2 
 Báo cáo thực hành (Lab report) 30 
 Trình bày dự án (Presentation skill) 50 
6 CONCLUSION 
Trong bài báo này, chúng tôi đã thiết kế một nền tảng mô hình thí nghiệm IoT sẽ được sử dụng trong việc 
giảng dạy tại Khoa Công nghệ Điện tử, trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh. Nền tảng 
được đề xuất bao gồm 4 thành phần là mô-đun “IoT Gateway” sử dụng Raspberry Pi 3 B+, mô-đun “IoT 
Node” sử dụng chip TMS320, “IoT Network” sử dụng mạng LoRaWAN và Internet, nền tảng đám mây 
điện tử ThingSpeak. Kết quả kiểm chứng thực tế đã chứng tỏ các mô hình thí nghiệm đề xuất chạy ổn 
định và dữ liệu được thu thập chính xác, có thể đáp ứng các yêu cầu thu thập, truyền tải và tính toán dữ 
liệu trong một khu vực rộng. Hơn nữa, chúng tôi đã xây dựng các bài LAB dựa vào mô hình thí nghiệm 
vừa thiết kế và học theo dự án PBL và đã triển khai giảng dạy thành công trên lớp thực tiễn. Các kết quả 
áp dụng cho thấy tính hiệu quả của mô hình đề xuất. Trong tương lai, chúng tôi sẽ biên soạn các tài liệu 
hướng dẫn chi tiết, video hướng dẫn trực quan cho người học. 
ACKNOWLEDGMENT 
Nghiên cứu này được tài trợ bởi trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh theo hợp đồng số 
16/HĐ-ĐHCN, tháng 01 năm 2019. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] J. Postel, “Internet protocol,” 1981. 
[2] I. Lee and K. Lee, “The Internet of Things (IoT): Applications, investments, and challenges for enterprises,” 
 Bus. Horiz., vol. 58, no. 4, pp. 431–440, 2015. 
[3] D. N. Le, L. Le Tuan, and M. N. D. Tuan, “Smart-building management system: An Internet-of-Things 
 (IoT) application business model in Vietnam,” Technol. Forecast. Soc. Change, vol. 141, pp. 22–35, 2019. 
[4] Z. A. Almusaylim and N. Zaman, “A review on smart home present state and challenges: linked to context-
 awareness internet of things (IoT),” Wirel. Networks, vol. 25, no. 6, pp. 3193–3204, 2019. 
[5] F. Cicirelli, A. Guerrieri, C. Mastroianni, G. Spezzano, and A. Vinci, The Internet of Things for Smart 
 Urban Ecosystems. Springer, 2019. 
[6] S. T. U. Shah, H. Yar, I. Khan, M. Ikram, and H. Khan, “Internet of Things-Based Healthcare: Recent 
 Advances and Challenges,” in Applications of Intelligent Technologies in Healthcare, Springer, 2019, pp. 
 153–162. 
[7] A. Khanna and S. Kaur, “Evolution of Internet of Things (IoT) and its significant impact in the field of 
 Precision Agriculture,” Comput. Electron. Agric., vol. 157, pp. 218–231, 2019. 
[8] W. Ejaz and A. Anpalagan, “Internet of Things for Smart Cities: Overview and Key Challenges,” in Internet 
 of Things for Smart Cities, Springer, 2019, pp. 1–15. 
[9] Y. Liu, C. Yang, L. Jiang, S. Xie, and Y. Zhang, “Intelligent edge computing for IoT-based energy 
 management in smart cities,” IEEE Netw., vol. 33, no. 2, pp. 111–117, 2019. 
[10] E. Fleury, N. Mitton, T. Noel, and C. Adjih, “FIT IoT-LAB: The largest iot open experimental testbed,” 
 2015. 
[11] N. M. Shweta et al., “Applications of IoT Lab Kit in Educational Sector,” IETE J. Educ., pp. 1–9, 2019. 
[12] D. Dobrilovic and S. Zeljko, “Design of open-source platform for introducing Internet of Things in 
 university curricula,” in 2016 IEEE 11th International Symposium on Applied Computational Intelligence 
 and Informatics (SACI), 2016, pp. 273–276. 
[13] J. Macías-Guarasa, J. M. Montero, R. San-Segundo, Á. Araujo, and O. Nieto-Taladriz, “A project-based 
 learning approach to design electronic systems curricula,” IEEE Trans. Educ., vol. 49, no. 3, pp. 389–397, 
 2006. 
[14] J. E. Mitchell and J. Smith, “Case study of the introduction of problem-based learning in electronic 
 engineering,” Int. J. Electr. Eng. Educ., vol. 45, no. 2, pp. 131–143, 2008. 
[15] P. P. Ray, “A survey on Internet of Things architectures,” J. King Saud Univ. Inf. Sci., vol. 30, no. 3, pp. 
 291–319, 2018. 
[16] A. Al-Fuqaha, M. Guizani, M. Mohammadi, M. Aledhari, and M. Ayyash, “Internet of things: A survey on 
 © 2020 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 
74 THIẾT KẾ “MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM IoT” ỨNG DỤNG TRONG GIẢNG DẠY 
 BẬC ĐẠI HỌC 
 enabling technologies, protocols, and applications,” IEEE Commun. Surv. tutorials, vol. 17, no. 4, pp. 2347–
 2376, 2015. 
[17] J. Lin, W. Yu, N. Zhang, X. Yang, H. Zhang, and W. Zhao, “A survey on internet of things: Architecture, 
 enabling technologies, security and privacy, and applications,” IEEE Internet Things J., vol. 4, no. 5, pp. 
 1125–1142, 2017. 
[18] R. Mahmoud, T. Yousuf, F. Aloul, and I. Zualkernan, “Internet of things (IoT) security: Current status, 
 challenges and prospective measures,” in 2015 10th International Conference for Internet Technology and 
 Secured Transactions (ICITST), 2015, pp. 336–341. 
[19] M. Wu, T.-J. Lu, F.-Y. Ling, J. Sun, and H.-Y. Du, “Research on the architecture of Internet of Things,” in 
 2010 3rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering (ICACTE), 2010, vol. 
 5, pp. V5-484. 
 . Ngày nhận bài: 16/10/2019 
 Ngày chấp nhận đăng: 31/12/2019 
© 2020 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh