LE TRUONG DUY – SMART WATER MONITORING AND OPTIMIZATION SYSTEM IN HOUSEHOLDS BASED ON IOT AND AI

Student: Lê Trường Duy
Email: 42101294@student.tdtu.edu.vn
University: Ton Duc Thang University (TDTU) – Faculty of Electrical and Electronics Engineering
Technical Advisor: Kim Do Kyong (GSF-based APE Expert)
Study Period: March – June 2025

---

1. Project Objectives

• Develop an intelligent system to monitor real-time household water usage and quality.

• Apply Artificial Intelligence (AI) to predict water consumption trends and determine optimal times for maintenance, such as filter replacement or tank cleaning.

• Integrate an automated control system via the Home Assistant platform to optimize water usage, conserve resources, and ensure water safety.

• This system is applicable not only to domestic water purifiers but also to small-scale water filtration systems that collect water from storage tanks, wells, or rainwater reservoirs, process it, and distribute it for household or community use.

---

2. System Architecture

a. Hardware Components

• ESP32: Central controller for data acquisition and transmission.

• Sensors:

  • Flow Sensor: Measures real-time water consumption.

  • Current Sensor: Monitors power usage of pumps or purifiers to assess energy efficiency and detect anomalies.

  • Ultrasonic or Infrared Sensor: Detects user presence to automatically enable or disable water flow.

• Control Devices:

  • Solenoid Valve: Automatically opens/closes based on consumption thresholds or water quality conditions.

  • Water Pump: Controls water flow from storage tanks to the filtration system or purifier.

• OLED Display: Provides real-time visual display of water usage, filter status, and sensor data.

b. Software Platform

• Home Assistant: Central platform for device integration, automation, and alert management.

• Node-RED: Handles data flow logic and connects sensor inputs to system responses.

• InfluxDB + Grafana: Stores time-series data and offers dynamic data visualization dashboards.

• Docker on Ubuntu Server: Provides a flexible and scalable server deployment environment.

c. Communication Protocols

• MQTT: Lightweight and reliable protocol for communication between ESP32 and the server.

• Wi-Fi is preferred; LoRa may be used in areas with unstable internet connectivity.

---

3. AI and Big Data Applications

• Predictive Maintenance & Consumption Analysis

  • Forecasts the optimal time for filter replacement and tank cleaning.

  • Analyzes water usage patterns on a daily, weekly, and monthly basis.

• System Optimization

  • Automatically controls the pump and solenoid valve to maintain appropriate water pressure, prevent leaks or overflows, and disable operation when not in use.

---

4. System Benefits

• Water Conservation and Efficiency: Smart control systems reduce unnecessary consumption.

• Automation: Simplifies operation, filtration, and maintenance processes.

• Health Protection: Real-time alerts enhance user safety by identifying abnormal conditions.

• Scalability and Use Cases:

  • Households using storage tanks and basic filtration systems

  • Schools, rural clinics, dormitories, and small communities

  • ODA-funded initiatives and climate adaptation projects for sustainable water management

 

42101294_LETRUONGDUY_TOPIC (2)

LÊ TRƯỜNG DUY – HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ TỐI ƯU HÓA NƯỚC THÔNG MINH CHO HỘ GIA ĐÌNH DỰA TRÊN IOT VÀ AI

Sinh viên: Lê Trường Duy
Email: 42101294@student.tdtu.edu.vn
Trường: Đại học Tôn Đức Thắng (TDTU) – Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử
Cố vấn kỹ thuật: Kim Do Kyong (Chuyên gia APE thuộc GSF)
Thời gian thực hiện: Tháng 3 – Tháng 6 năm 2025

---

1. Mục tiêu dự án

• Phát triển hệ thống thông minh để giám sát chất lượng và lượng nước sử dụng theo thời gian thực trong các hộ gia đình.

• Ứng dụng Trí tuệ nhân tạo (AI) để dự đoán xu hướng sử dụng nước và xác định thời điểm bảo trì hoặc thay lõi lọc tối ưu.

• Tích hợp hệ thống điều khiển tự động thông qua nền tảng Home Assistant để tối ưu hóa việc sử dụng nước, tiết kiệm tài nguyên và đảm bảo an toàn nguồn nước.

• Hệ thống này có thể được áp dụng không chỉ cho máy lọc nước gia đình mà còn cho các hệ thống lọc nước quy mô nhỏ sử dụng nguồn nước từ bồn chứa, giếng khoan, hoặc bể thu nước mưa, sau đó xử lý và phân phối lại cho hộ gia đình hoặc cộng đồng.

---

2. Kiến trúc hệ thống

a. Thiết bị phần cứng

• ESP32: Bộ điều khiển trung tâm, thu thập và truyền dữ liệu.

• Cảm biến:

  • Cảm biến lưu lượng: Đo lượng nước sử dụng theo thời gian thực.

  • Cảm biến dòng điện: Giám sát tiêu thụ điện năng của bơm hoặc máy lọc nước, đánh giá hiệu suất và phát hiện bất thường.

  • Cảm biến siêu âm hoặc hồng ngoại: Phát hiện sự hiện diện của người dùng để bật/tắt dòng nước tự động.

• Thiết bị điều khiển:

  • Van điện từ: Tự động đóng/mở theo ngưỡng sử dụng hoặc chất lượng nước.

  • Bơm nước: Điều khiển dòng chảy từ bồn chứa đến hệ thống lọc hoặc máy lọc nước.

• Màn hình OLED: Hiển thị dữ liệu đo được như lượng nước sử dụng, tình trạng lõi lọc và thông tin từ cảm biến.

b. Nền tảng phần mềm

• Home Assistant: Nền tảng điều khiển và quản lý tự động hóa trung tâm.

• Node-RED: Xử lý luồng dữ liệu và lập trình logic hệ thống.

• InfluxDB + Grafana: Lưu trữ dữ liệu chuỗi thời gian và hiển thị biểu đồ phân tích trực quan.

• Docker trên Ubuntu Server: Môi trường triển khai linh hoạt và dễ mở rộng.

c. Phương thức giao tiếp

• MQTT: Giao thức nhẹ, ổn định giữa ESP32 và máy chủ.

• Wi-Fi (ưu tiên); có thể sử dụng LoRa ở các khu vực có kết nối mạng yếu.

---

3. Ứng dụng AI và Dữ liệu lớn

• Bảo trì dự đoán và phân tích tiêu thụ

  • Dự đoán thời điểm tối ưu để thay lõi lọc và vệ sinh bồn chứa.

  • Phân tích xu hướng sử dụng nước theo ngày, tuần và tháng.

• Tối ưu hóa hệ thống

  • Tự động điều chỉnh hoạt động của bơm và van điện từ để duy trì áp lực nước, ngăn rò rỉ hoặc tràn nước, và tắt khi không sử dụng.

---

4. Lợi ích của hệ thống

• Tiết kiệm nước và nâng cao hiệu suất: Giảm tiêu thụ không cần thiết nhờ điều khiển thông minh.

• Tự động hóa: Đơn giản hóa quá trình vận hành, lọc và bảo trì.

• Bảo vệ sức khỏe: Cảnh báo tức thời khi phát hiện bất thường giúp nâng cao an toàn người dùng.

• Khả năng ứng dụng mở rộng:

  • Hộ gia đình sử dụng bồn chứa và hệ thống lọc đơn giản

  • Trường học, trạm y tế vùng sâu vùng xa, ký túc xá và khu dân cư nhỏ

  • Các chương trình ODA hoặc dự án thích ứng biến đổi khí hậu trong lĩnh vực quản lý tài nguyên nước

 

LE TRUONG DUY – IoT 및 AI 기반 가정용 스마트 물 모니터링 및 최적화 시스템

학생: Lê Trường Duy
이메일: 42101294@student.tdtu.edu.vn
소속: 톤득탕대학교 (TDTU) – 전기전자공학부
기술 자문: 김도경 (GSF 기반 APE 전문가)
연구 기간: 2025년 3월 ~ 6월

---

1. 연구 목적

• 가정 내에서 실시간으로 물 사용량 및 수질을 모니터링할 수 있는 지능형 스마트 시스템을 개발한다.

• AI 기술을 활용하여 물 사용량 예측, 필터 교체 또는 탱크 세척과 같은 유지관리 시점을 자동으로 판단한다.

• Home Assistant 기반의 자동 제어 시스템을 연동하여 자원 절약과 수질 안전을 동시에 확보한다.

• 해당 시스템은 단순한 정수기에 국한되지 않고, 저수탱크·우물·빗물 저장소 등에서 공급된 물을 처리하고 가정이나 커뮤니티에 공급하는 소형 정수 시스템에도 활용 가능하다.

---

2. 시스템 구성

a. 하드웨어 구성

• ESP32: 데이터 수집 및 서버 전송을 담당하는 중앙 제어 장치

• 센서

  • 유량 센서: 실시간 물 사용량 측정

  • 전류 센서: 펌프 또는 정수기의 전력 소비 측정을 통해 효율성 확인 및 이상 탐지

  • 초음파/적외선 센서: 사용자 존재를 감지하여 자동으로 물 공급을 제어

• 제어 장치

  • 솔레노이드 밸브: 사용량 또는 수질 조건에 따라 자동 개폐

  • 워터 펌프: 저장탱크에서 정수 시스템 또는 정수기로 물을 공급

• OLED 디스플레이: 사용량, 필터 상태, 센서 수치 등을 실시간으로 시각화

b. 소프트웨어 플랫폼

• Home Assistant: 센서, 제어기, 알림 등을 통합 관리하는 자동화 플랫폼

• Node-RED: 데이터 흐름 처리 및 시스템 논리 제어 도구

• InfluxDB + Grafana: 시간 기반 데이터 저장 및 분석 시각화 도구

• Docker + Ubuntu Server: 유연하고 확장 가능한 서버 운영 환경 구축

c. 통신 방식

• MQTT: ESP32와 서버 간의 경량형 통신 프로토콜

• Wi-Fi를 기본 사용, 네트워크 불안정 지역에서는 LoRa 확장 가능

---

3. AI 및 빅데이터 응용

• 예측 유지보수 및 소비 분석

  • 필터 교체, 탱크 세척 등 최적의 유지보수 시점을 예측

  • 일별, 주별, 월별 소비 패턴 분석

• 시스템 최적화

  • 펌프 및 밸브를 자동 제어하여 적정 수압 유지, 누수·과잉 공급 방지, 미사용 시 자동 종료

---

4. 시스템 기대효과

• 물 절약 및 효율 향상: 스마트 제어를 통해 불필요한 소비 감소

• 자동화: 정수, 유지보수, 공급 상황의 실시간 모니터링과 간편한 제어

• 건강 보호: 수질 이상 발생 시 사용자에게 즉시 경고

• 확장 가능성 및 적용 대상

  • 가정용 저수탱크 기반 소형 정수 시스템

  • 학교, 농촌 보건소, 기숙사, 소형 커뮤니티

  • ODA 및 기후변화 대응 수자원 관리 프로젝트