Nghiên cứu xây dựng ứng dụng trên nền tảng NODE RED phục vụ nhà thông minh TT

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Lê Tùng Giang NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG ỨNG DỤNG TRÊN NỀN TẢNG NODE RED PHỤC VỤ NHÀ THÔNG MINH Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 8.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI-2021 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGÔ ĐỨC THIỆN Phản biện 1: TS NGUYỄN CHIẾN TRINH Phản biện 2: PGS TS BẠCH NHẬT HỒNG Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lục: ngày 15 tháng 02 năm 2022 Có thể tìm hiểu luận văn tại: Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn Thơng MỞ ĐẦU Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư tác động sâu rộng đến tất lĩnh vực đời sống xã hội, cách mạng công nghiệp lần thứ nhất, biến xã hội từ đại phận nông thôn trở thành công nghiệp thị hóa Đánh dấu có mặt động nước làm thay đổi toàn hình thái nghành cơng nghiệp đó, đặc biệt cơng nghiệp khai khống dệt may Ngày nay, giới trải qua ba cách mạng đặt chân vào cách mạng lần thứ tư, cơng nghệ điển hình để minh chứng cho quốc gia tham dự vào cách mạng là: trí thơng minh nhân tạo (Artificial Intelligence-AI), hệ thống vật lý ảo (Cyber Physical System-CPS), công nghệ nano công nghệ sinh học (Nano technology and Bio technology-NanoTech, BioTech), Robotics, in 3D, xe tự lái, Internet vạnvật (Internet of Things-IoT) Có thể thấy nhóm cơng nghệ kể phủ khắp lĩnh vực nghiên cứu phức tạp giới khoa học Đặc biệt với bùng nổ mạng internet tốc độ cao, giới không “phẳng ra” mà “giao thoa” với nhau, biểu kết nối vạn vật Mạng lưới vạn vật kết nối internet cho phép giới ảo (các mạng ảo mạng xã hội) tích hợp ngữ nghĩa với giới thực tích hợp liệu với thiết bị IoT, đồng thời thiết bị IoT tích hợp vật (trao đổi, tương tác) với giới thực Chính yếu tố kể trên, học viên định lựa chọn đề tài "Nghiên cứu xây dựng ứng dụng tảng Node RED phục vụ nhà thơng minh" Sau q trình tìm hiểu nghiên cứu thực thử nghiệm định, học viên xây dựng luận văn với kết cấu gồm phần sau: Chương 1: Tổng quan nhà thông minh Chương 2: Xây dựng mơ hình hệ thống nhà thơng minh tảng Node Red Chương 3: Thiết kế chế tạo thử nghiệm Do hạn chế kiến thức thân thời gian nghiên cứu, luận văn tránh khỏi điểm thiết xót Rất mong nhận đóng góp ý kiến Thầy Cơ giáo bạn Học viên quan tâm đến đề tài để luận văn hoàn thiện CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 1.1 Khái quát bối cảnh phát triển IoT Viện tư vấn quản lý tồn cầu Mckinsey đưa dự đốn có 75 tỷ thiết bị IoT lắp đặt vào năm 2025, gấp lần so với năm 2015, đồng thời tỷ lệ sử dụng thiết bị IoT tăng từ 13% lên 25% giai đoạn từ năm 2014-2019, chi phí cho hệ sinh thái liên quan đến IoT dự báo tăng từ 726 tỷ USD vào năm 2019 lên 1,1 nghìn tỷ USD vào năm 2023[6] Sự hình thành phát triển IoT gắn liền với cách mạng công nghệ lần thứ tư Cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư kết hợp công nghệ lĩnh vực vật lý, công nghệ số sinh học, tạo khả sản xuất hồn tồn có tác động sâu sắc đến đời sống kinh tế, trị, xã hội giới Có thể khái qt bốn đặc trưng Cách mạng công nghiệp lần thứ sau: dựa tảng kết hợp công nghệ cảm biến mới, phân tích liệu lớn, điện tốn đám mây kết nối internet vạn vật thúc đẩy phát triển máy móc tự động hóa hệ thống sản xuất thông minh Các công nghệ in 3D để sản xuất sản phẩm cách hoàn chỉnh nhờ thể hóa dây chuyền sản xuất khơng phải qua giai đoạn lắp ráp thiết bị phụ trợ - công nghệ cho phép người in sản phẩm phương pháp phi truyền thống, bỏ qua khâu trung gian giảm chi phí sản xuất nhiều 1.1.1Định nghĩa internet vạn vật (IoT) Internet vạn vật (IoT-Internet of Things) định nghĩa mạng kết nối đồ vật thiết bị thông qua cảm biến, phần mềm công nghệ khác, cho phép đồ vật thiết bị thu thập trao đổi liệu với Hình 1.1: Cơ chế hoạt động hệ thống IoT Tiềm ứng dụng internet vạn vật (IoT) trải rộng lĩnh vực Tuy nhiên, hệ thống IoT hồn chỉnh có đủ bước: thu thập liệu, chia sẻ liệu, xử lý liệu, đưa định Phần thu thập liệu bước tiền xử lý, nơi mà cảm biến thiết bị tiến hành thu thập liệu từ môi trường, bước công nghệ cảm biến phát huy, cảm biến hoạt động xác làm tăng chất lượng liệu thu thập Dữ liệu đơn giản nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng… 1.1.2 Hệ sinh thái IoT Hệ sinh thái khái niệm có tính bao phủ rộng, khơng ám đối tượng cụ thể Hệ sinh thái hiểu cộng đồng kinh tế dựa tảng tương tác tổ chức cá nhân Cộng đồng sản sinh sản phẩm dịch vụ có giá trị cho khách hàng họ phần hệ sinh thái IoT cấu thành từ nhiều thành phần tạo nên hệ sinh thái IoT với mơ hình phức tạp, đa dạng Dựa cấu trúc mô hình IoT, hệ sinh thái IoT bao gồm bốn cấu phần chính: phần cứng/hạ tầng kết nối, phần mềm tảng/phần mềm phân tích liệu lớn, dịch vụ sách Phần cứng/hạ tầng kết nối: thiết bị IoT bao gồm thiết bị phần cứng có khả giao chuẩn IoT định nghĩa sẵn Các thiết bị đa dạng tùy theo mục đích sử dụng như: thiết bị thơng minh cá nhân (máy tính, điện thoại, đồng hồ…), thiết bị gia dụng (tủ lạnh, hòa nhiệt độ), hay thiết bị quan trắc, cảm biến đo điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng)… Phần mềm tảng/phần mềm phân tích liệu lớn: phần mềm tảng IoT coi trái tim hệ sinh thái IoT có chức quản lý kết nối, tổng hợp, lưu trữ xử lý liệu gửi từ thiết bị Phần mềm yêu cầu phải kết hợp tất thứ với làm cho sử dụng kết nối cần thiết để chia sẻ thông tin giao tiếp với toàn hệ thống Trong kiến trúc hệ thống IoT, phần mềm IoT cấu thành ba nhóm chính: nhóm phần mềm lớp thiết bị, nhóm phần mềm lớp chuyển tiếp gateway, nhóm phần mềm lớp ứng dụng Nhóm phần mềm lớp thiết bị chạy MCU (Micro Controller Unit) nhằm hỗ trợ tác vụ cụ thể, tính phần mềm chạy thiết bị gồm bốn tính chính: chứa hệ điều hành nhúng chẳng hạn FreeRTOS kiến trúc ARM hay Tizen Nhóm phần mềm lớp chuyển tiếp gateway hay IoT gateway hoạt động điểm tập hợp cho nhóm cảm biến hay thiết bị chuyển tiếp lớp mạng, nhiệm vụ phần mềm lớp chuyển tiếp gateway điều phối kết nối thiết bị với với mạng bên ngồi IoT gateway phần cứng vật lý nhóm chức tích hợp vào “Things” lớn kết nối với mạng Những tính nhóm phần mềm lớp chuyển tiếp gateway bao gồm năm mục chính: Một có hệ điều hành đa (chẳng hạn Linux) Hai có mơi trường chạy ứng dụng thời gian thực Ba có giao tiếp kết nối IoT gateway với giao thức kết nối khác để kết nối thiết bị với đồng thời kết nối với mạng khác (Ethernet, wifi, mạng di động mạng vệ tinh…) đảm bảo tính tin cậy, bảo mật thông tin Bốn quản lý liệu nhắn tin, có tính ổn định hỗ trợ trễ mạng, hỗ trợ ngoại tuyến chuyển tiếp liệu thiết bị cách quán Năm khả quản lý từ xa cung cấp phương pháp cấu hình bật tắt gateway từ xa khởi động ứng dụng chạy cổng 1.1.3 Phát triển IoT Việt Nam Cho đến giới bốn lần trải qua cách mạng công nghiệp, từ cách mạng lần vào cuối kỷ mười tám đầu kỷ mười chín, với xuất mang tính đột phá máy nước Với cách mạng công nghiệp lần thứ tư, khả tương tác vạn vật, phân tích thời gian thực, ảo hóa hệ thống, hay liệu lớn tạo khác biệt rõ rệt quốc gia có tham gia hay chưa tham gia cách mạng cơng nghiệp Cùng với thay người lao động máy móc, chênh lệch chi phí sản xuất lợi nhuận ngày kéo giãn, tạo thách thức không nhỏ cho quốc gia phát triển Trong bối cảnh thị trường IoT giới ngày phát triển Việt Nam, nhận thấy giai đoạn xây dựng sở hạ tầng kết kết nối tảng mở, nhiệm vụ đơn vị lớn Viettel, VNPT 1.2 Tình hình phát triển nhà thơng minh 1.2.1 Lịch sử hình thành nhà thơng minh Thuật ngữ thông minh (smart) bắt đầu phổ biến điện thoại thông minh (smartphone) xuất hiện, đặc biệt từ thời điểm mắt iPhone vào năm 2007 Từ đó, “smart” gắn với “phone” cách ngẫu nhiên sau gắn với thiết bị công nghệ Theo Peter Wadsworth, giám đốc đổi kết nối cơng ty thiết bị tồn cầu Siemens, nhắc đến công nghệ thông minh, người dùng nghĩ đến thiết bị túi họ Thực tế công nghệ thơng minh cịn mở rộng nhiều vật dụng khơng gian sống Ngày nay, xã hội vơ tình gắn cụm từ thông minh với điện thoại đến mức người tiêu dùng thường giới hạn tầm nhìn thân với điện thoại Các hệ thống thông minh ngày thường việc thiết bị hay hệ thống có tính cơng nghệ bật khả thu thập liệu môi trường, khả chia sẻ thông tin định điều khiển từ xa thông qua kết nối mạng 1.2.2 Xu phát triển nhà thông minh Xuất từ lâu thị trường nhà thông minh mười năm trở lại bắt đầu thực tăng trưởng mạnh mẽ, nhà thơng minh khơng cịn dừng lại sản phẩm đắt đỏ độc quyền cho giới siêu giàu mà dần phổ biến Tại thị trường Mỹ dự kiến đạt 104.401 triệu đô la Mỹ vào năm 2021, với tốc độ tăng trưởng 15,75% năm, khối lượng thị trường ước tính đạt 187.429 triệu đô la Mỹ vào năm 2025 Tại Việt Nam, thị trường smart home dự kiến đạt doanh thu 225,3 triệu USD vào năm 2021 330,4 triệu USD vào năm 2022 Tuy nhiên, báo cáo nhất, số liệu có thay đổi, ảnh hưởng trực tiếp đại dịch Covid-19 Cụ thể, doanh thu smart home thị trường Việt Nam dự đoán đạt 183,9 triệu USD vào năm 2021 251 triệu USD vào năm 2022 Với tốc độ tăng trưởng 25%/năm giai đoạn 2021-2025, dự kiến đến năm 2025, tổng doanh thu thị trường smart home Việt Nam đạt 449,1 triệu USD Với khoảng 10,5% hộ gia đình trang bị smart home, Việt Nam trở thành thị trường smart home đứng thứ 28 toàn cầu.[8] Ở nước ta, từ 10 năm trước Tập đoàn cơng nghệ Bkav tiên phong đón đầu xu hướng nhà thông minh với hệ thống Bkav SmartHome hệ Hình 1.2: Dự báo xu phát triển nhà thông minh Việt Nam Các hệ thống giải pháp phổ biến nhà thông minh:  Hệ thống ánh sáng thông minh  Hệ thống âm thông minh  Hệ thống an ninh, giám sát cảnh báo  Hệ thống điều khiển thiết bị gia dụng hệ sinh thái (rèm cửa, điều hịa, bình nóng lạnh…)  Hệ thống điều khiển sinh cảnh (tưới nước tự động, lọc nước bể cá, hồ bơi…)  Hệ thống kết hợp điều khiển giọng nói Các tính phổ biến nhà thơng minh:  Kiểm soát chiếu sáng (bật/tắt, thay đổi độ sáng, theo ngữ cảnh, hẹn giờ, logic, )  Điều khiển mành, rèm, cửa cổng  Điều khiển thiết bị công suất cao (điều hịa, máy lạnh…)  Kiểm sốt hệ thống âm đa vùng  Kiểm soát hệ thống camera, chng hình  Hệ thống bảo vệ nguồn điện  Điều khiển, quan sát thiết bị hệ thống an ninh, báo động, báo cháy  nhiều hệ thống khác Các đơn vị phát triển nhà thông minh bật: KNX, Onsky, SamSung, BKAV, Acsis, Lumi Mô hình phát triển nhà thơng minh phổ biến thường nằm ba loại gồm: hộ thông minh (thường chung cư), nhà phố thông minh (thường nhà ba tầng), biệt thự thông minh (biệt thự ba tầng diện tích khoảng 150 m2 ) Cách thức bố trí thiết bị thông minh cảm biến nhà thông minh Việt Nam nói riêng giới nói chung chưa có tiêu chuẩn rõ ràng, đơn vị cung cấp giải pháp thường đưa mẫu tối thiểu với kiểu mơ hình nhà để từ phát triển thêm theo yêu cầu người xử dụng Với ba loại phân chia nhà thông minh liệt kê đồng thời dựa đặc điểm nhà Việt Nam, nhà thơng minh có đặc điểm sau: Căn hộ thông minh, nhà phố thông minh, biệt thự thông minh 1.3 Một số giao thức không dây phổ biến Mạng internet vạn vật hiểu đơn giản thiết bị kết nối vào mạng internet để tham gia chia sẻ liệu nhận liệu, phát triển không ngừng nghỉ công nghệ thành phần làm hệ sinh thái IoT phát triển nhanh mạnh chiều sâu chiều rộng Các thiết bị hệ sinh thái IoT mặt tạo trải nghiệm người dùng mặt hỗ trợ thiết bị cũ tham gia vào hệ thống Với khoảng 10 chuẩn kết nối nhà thơng minh khác có thị trường, thật khó để định đâu thứ tốt Về bản, chia làm loại: Kết nối có dây kết nối khơng dây Về giao thức kết nối có dây, kể đến X10 UPB, sử dụng hệ thống dây điện có sẵn nhà để giao tiếp, có độ tin cậy cao thường chậm khó mã hóa liệu nhằm đảm bảo an tồn Hình 1.3: Một số giao thức không dây IoT 1.4 Giao thức wifi nhà thông minh 1.4.1 Tổng quan giao thức wifi Wifi viết tắt Wireless Fidelity tên gọi chuẩn IEEE 802.11 hiểu sử dụng sóng vơ tuyến để truyền tín hiệu, với tần số từ 2,4 GHz đến 5,0 Ghz Loại sóng có khả kết nối với mạng khác hay với máy tính tương tự sóng điện thoại, truyền hình hay sóng radio Hầu thiết bị thơng minh ngày truy cập wifi, coi giao thức chuẩn cần có thiết bị IoT Hình 1.4: Các chuẩn wifi hành 1.4.2 Phát triển nhà thông minh theo giao thức wifi Nhà thông minh phát triển đa dạng, dựa trạng nhà để chia tiêu chuẩn hộ thông minh, nhà phố thông minh hay biệt thự thơng minh, việc phân chia nhà thơng minh dựa chuẩn kết nối thiết bị thông minh cho ta thấy đa dạng hệ sinh thái Một số giao thức trao đổi liệu phổ biến kể đến như: CoAP (Constrained Applications Protocol): CoAP giao thức đơn giản chi phí thấp thiết kế riêng cho thiết bị hiệu thấp (chẳng hạn vi điều khiển) MQTT (Message Queue Telemetry Transport): MQTT giao thức theo chế xuất bản/đăng ký, máy client xuất hay nhận tin HTTP (HyperText Transfer Protocol): cho phép trao đổi thông tin (chủ yếu dạng siêu văn bản) qua Internet 1.5 Kết luận Chương giới thiệu tổng quan hệ sinh thái IoT điểm đặc biệt nhà thông minh bối cảnh cách mạng công nghiệp lần thứ tư lịch sử phát triển hệ thống này, đồng thời chương giới thiệu số công nghệ phổ biến áp dụng nhà thơng minh 10 tiện ích hệ điều hành thích hợp để phát triển tính hệ thống IoT nói chung nhà thơng minh tảng Node RED nói riêng Ubuntu hồn tồn miễn phí, chia sẻ rộng rãi trang chủ Ubuntu với cập nhật sáu tháng lần tăng cường bảo mật Cách cài đặt Ubuntu vào máy tính tương đối dễ dàng Để cài đặt Node RED ta tiến hành câu lệnh sau: $ sudo apt-get install node.js -y $ sudo apt-get install nodejs-legacy $ sudo apt-get install git -y $ git clone https://github.com/node-red/node-red.git $ cd node-red $ sudo npm install n -g $ sudo n stable $ cd $ sudo npm install -g grunt-cli $ cd node-red $ grunt build $ node red 2.1.2 Một số thao tác Node RED Màn hình làm việc Node RED hình sau: Hình 2.2: Cửa số làm việc Node RED 11 Cửa sổ soạn thảo gồm thành phần chính:  Tiêu đề trên, chứa nút Deploy, menu  Bảng màu (palette ) bên trái, chứa nút có sẵn để sử dụng  Khơng gian làm việc (workspace) giữa, nơi luồng tạo  Thanh sidebar bên phải Trong môi trường Node RED chương trình tổ chức dạng Flow, Flow chạy song song độc lập với nhau, người lập trình thêm, sửa xóa Flow dễ dàng Hình 2.3: Tạo Flow Node RED Để xóa Flow cần kích đúp vào tab Flow chọn Delete phần panel bên phải, cửa sổ cho phép đổi tên viết mô tả, giới thiệu thông tin luồng Hình 2.4: Cách xóa Flow Node RED 12 Việc thao tác luồng Flow cần quan tâm đến việc Export (kết xuất liệu) để tiến hành lưu trữ, đồng thời Import liệu từ Flow trở lại hình làm việc Node RED cho phép xuất nhập file định dạng văn thông thường nên thuận tiện cho việc thay đổi hiệu chỉnh chương trình Các thao tác chép, di chuyển node Flow thực dễ dàng qua bước: Bước 1: khối chọn nodes muốn chép di chuyển Bước 2: dùng Ctrl + C để chép nodes; dùng Ctrl + X để di chuyển nodes Bước 3: chuyển sang Flow khác dùng Ctrl + V để dán nodes lại 2.2 Tích hợp wifi tảng Node RED 2.2.1 Giao thức MQTT MQTT(Message Queuing Telemetry Transport) giao thức truyền message theo mơ hình cung cấp thuê bao publish/subcriber Session: Một session- phiên làm việc định nghĩa kết nối từ client đến server Tất giao tiếp client server phần phiên Subscription: Không giống sessions, subscription mặt logic kết nối từ client đến topic Khi thực subscribed đến topic, client trao đổi messages với topic Subscriptions trạng thái ‘transient’ ‘durable’, phụ thuộc vào cờ clean session gói Connect Publish: hành động client gửi liệu lên kênh thông tin, kênh thông tin cập nhật liệu (dữ liệu client khác gửi lên) client đăng ký theo dõi kênh nhận liệu cập nhật Message (message payload): có định dạng mặc định plain-text, dạng chữ viết người dùng đọc được, tất nhiên dạng text thay đổi theo nhu cầu người dùng Topic: Có thể coi “đường truyền” logic hai điểm publisher subscriber Về bản, message publish vào topic tất subscriber topic nhận message Retain: cờ (flag) gắn cho message MQTT Retain nhận giá trị ( tương ứng giá trị logic false or true) Nếu retain= 1, broker lưu lại message cuối topic kèm theo mức QoS tương ứng Khi client bắt đầu subscribe topic có message lưu lại đó, client nhận message 13 Unsubscribe: Client muốn hủy bỏ việc đăng ký với broker 2.2.2 Thiết bị hỗ trợ giao tiếp wifi ESP8266 ESP8266 hệ thống chip (SoC), công ty Espressif Trung Quốc sản xuất Thiết bị bao gồm vi điều khiển Tensilica L106 32-bit (MCU) thu phát Wi-Fi Bo mạch gồm có 11 chân GPIO (Chân đầu vào / đầu đa dụng) đầu vào analog, hỗ trợ lập trình đơn giản với ngơn ngữ bậc cao Bản thân chip ESP8266 có 17 chân GPIO, số chân (6-11) sử dụng để giao tiếp với chip nhớ flash bo mạch module độc lập dòng ESP -của AI Thinker phát triển hoàn chỉnh NodeMCU DevKit WeMos D1 Các bo mạch khác có chân cắm khác nhau, có ăng-ten Wi-Fi khác dung lượng nhớ flash khác bo mạch Hình 2.5: Sơ đồ khối chip wifi ESP8266 2.3 Xây dựng mơ hình hệ thống nhà thơng minh Hình 2.6: Mơ hình hệ thống nhà thơng minh Mơ hình hệ thống nhà thơng minh xây dựng bao gồm phần sau: 14 Cảm biến: nơi thu thập liệu môi trường phản hồi xử lý, nơi để trung chuyển liệu lên tầng cao đồng thời xử lý liệu thô từ cảm biến thành liệu mà người dùng quan sát Thiết bị: dạng đầu cuối hệ thống, nơi tiếp nhận điều khiển thực thi tác vụ người dùng, thiết bị thiết bị bóng đèn, quạt… thiết bị thơng minh Wifi ESP8266: thiết bị có nhiệm vụ truy nhập vào hệ thống wifi nhà thông minh, thiết bị nhúng lập trình ngơn ngữ C, thiết bị cấu hình mật tài khoản đăng nhập wifi, cho phép xử lý liệu từ cảm biến, đưa lệnh điều khiển đến thiết bị đầu cuối, đồng độ tin lên MQTT broker Node RED: cho phép xây dựng giao diện tương tác người dùng dashboard nhúng giao thức MQTT để vận chuyển trao đổi liệu tảng web MQTT server tạo node mạng với điểm trung chuyển phần cứng điểm chứa ESP8266 Đồng thời MQTT server cung cấp chế bảo mật với username password Trường username chuỗi có định dạng UTF-8 trường password liệu nhị phân với kích thước tối đa 65535 bytes Sự bất cập phiên MQTT v3.1 sử dụng mật với 12 ký tự bãi bỏ phiên MQTT v3.1.1 Ngoài phiên định nghĩa rằng: client có username mà không cần password tồn trạng thái ngược lại Khi sử dụng xác thực tên người dùng mật khẩu, MQTT broker đánh giá thông tin client dựa chế xác thực triễn khai gửi trả gói tin phản hồi gọi CONNACK, bao gồm mã trạng thái gọi return code Giao diện Dashboard: thông qua Node RED giao diện người dùng thiết kế trực quan đơn giản, giao diện tương tác trực tiếp web browser không phụ thuộc vào thiết bị máy tính hay điện thoại Giao diện Node RED có thiết kế linh hoạt với nút bấm, trượt, đồ thị thời gian thực… 2.4 Kết luận Chương trình bày tảng Node RED hướng dẫn để cài đặt, sử dụng tảng Đồng thời chương giới thiệu sơ lược thiết bị cho phép kết nối wifi giao thức vận chuyển liệu MQTT Thông qua tảng Node RED làm chủ đạo xây dựng mơ hình điều khiển hệ thống nhà thông minh 15 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM 3.1 Xây dựng phần cứng lập trình firmware Như học viên trình bày chương việc lựa chọn thiết bị phần cứng sử dụng giao tiếp wifi phép thiết bị truy cập mạng, module sử dụng ESP 12ESP8266 với thiết kế nhỏ gọn, anten trực tiếp mạch hỗ trợ anten kéo dài Đồng thời thiết bị hỗ trợ lập trình trực tiếp tảng ngôn ngữ C Tại mục luận văn trình bày chi tiết cấu tạo phần cứng thiết bị sử dụng kết nối từ phần cứng hỗ trợ giao tiếp wifi đến thiết bị điều khiển ngoại vi cuối (một đèn 220VAC) Hình 3.1: Sơ khối hệ thống 3.1.1 Xây dựng phần cứng Module Wifi ESP8266 ESP-12E module phát triển dựa chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng đặc biệt sử dụng trực tiếp trình biên dịch Arduino để lập trình nạp code, điều khiến việc sử dụng lập trình ứng dụng ESP8266 trở nên đơn giản 16 Hình 3.2: Thiết kế phần cứng ESP12-ESP8266 Thơng số kĩ thuật:  IC chính: ESP8266 Wifi SoC  Phiên firmware: Node MCU  Chip nạp giao tiếp UART: CP2102  GPIO tương thích hồn tồn với firmware Node MCU  Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB Vin  GIPO giao tiếp mức 3.3VDC  Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash  Tương thích hồn tồn với trình biên dịch Arduino Để lập trình cho module wifi tiến hành kết nối với phần cứng học viên lựa chọn sử dụng kit nhúng clover alpha Hình 3.2: Thiết kế phần cứng kit Clover Alpha 17 Clover Alpha Board Board chủ điều khiển Clover Team nghiên cứu phát triển Dựa tảng Arduino, Clover Alpha Board tích hợp số thiết bị như: Đèn LED, nút nhấn, cịi, mắt nhận tín hiệu hồng ngoại ; ngoại vi khác kết nối thông qua chuẩn sử dụng cổng RJ11 giúp loại bỏ phức tạp kết nối tảng Arduino cho phép dễ dàng thực kết nối không dây phổ biến như: Bluetooth, Wifi Thông số kỹ thuật:  Kích thước 75mm x 67mm x 18mm  Khối lượng 48 gram  Vi điều khiển ATMega328  Nền tảng lập trình Arduino, CloverBlock  Điện áp cung cấp 7-24V (DC- 5.5x2.1mm)  Điện áp hoạt động 5V (DC)  Dòng tiêu thụ tối đa 1A  Cổng giao tiếp (RJ11 6P6C)  Giao tiếp hỗ trợ IO, ADC, PWM, UART, SPI, I2C  USB USB mini-B 2.0  Kết nối không dây Bluetooth 4.0 / Wifi (Tùy chọn)  Thiết bị tích hợp Đèn LED, Nút nhấn, Còi, IR Kit clover cho phép kết nối ngoại vi tích hợp cách đa dạng, cổng kết nối giao hướng sử dụng cáp RJ11 chuẩn ethernet công nghiệp làm cho kết nối vật lý trở nên chắn dễ kiểm soát Đồng thời ngoại vi tương thích theo chuẩn arduino cho phép cảm biến đọc ghi dễ dàng Tên ngoại STT Chức vi/cổng kết nối Cung cấp nguồn 5V cho Board từ máy tính, sạc điện thoại, … USB Nạp chương trình lập trình từ máy tính Giao tiếp truyền - nhận liệu với máy tính Cho phép cung cấp ngừng cung cấp nguồn cho Board sử dụng nguồn như: Pin, Adaptor… Nút On/Off kết nối qua Jack DC [3] Cấp nguồn cho Board từ nguồn pin, adapter DC Jack (Khuyến cáo 7-24V) Khởi động lại chương trình Board Nút Reset Boot: Nạp chương trình từ máy tính xuống Board Nút Boot/Run Run: Cho phép sử dụng kết nối module Bluetooth Wifi Cho phép Board mở rộng kết nối không dây sử dụng Wifi/Bluetooth module Bluetooth Wifi cần thiết Ngoại vi sử dụng dạng liệu đầu vào Nút nhấn Ngoại vi sử dụng dạng liệu đầu hình Đèn LED 18 10 11 ảnh Ngoại vi sử dụng dạng liệu đầu âm Còi Ngoại vi sử dụng dạng liệu đầu vào để Mắt thu hồng giao tiếp với loại điều khiển hồng ngoại như: Điều ngoại khiển điều hòa, điều khiển tivi… Bao gồm Ports sử dụng để kết nối với thiết bị ngoại vi (TBNV) khác như: TBNV nhập liệu đầu Port (Cổng kết nối) vào, TBNV đầu điều khiển, TBNV cảm biến, TBNV hiển thị, TBNV Robot… Bảng 3.1: Mô tả ngoại vi phần cứng Clover STT Ý nghĩa kết nối Vào/Ra số (Digital Ra Input/Output) tương tự - PWM UART I2C SPI Vào tương tự (ADC) chân ADC chân ADC chân ADC Màu sắc cổng Vàng (Yellow) Cam (Orange) Đen (Black) Nâu (Brown) Xanh lục (Green) Xanh lam (Blue) Lam nhạt Lam vừa Lam đậm Bảng 3.2: Mô tả thông tin kết nối phần cứng Clover Digital I/O ADC Kết nối khác PWM UART 4 I2C 4 SPI Port Ký hiệu Bảng 3.3: Mô tả thông tin cổng kết nối Clover Để tiến hành kết nối với ngoại vi đầu cuối thiết bị dân dụng 220VAC, học viên sử dụng thiết bị cho phép kết nối theo chuẩn RJ11 nhận tín hiệu điều khiển từ Clover Board 19 Hình 3.3: Thiết bị kết nối 220VAC  Ổ cắm cấp nguồn cho thiết bị điện lúc  Một đầu kết nối với nguồn điện dân dụng thông qua dây kết nối 220V  Một đầu kết nối với Clover Board cho phép Board điều khiển việc cấp điện cho thiết bị điện  Ổ cắm đóng gói hồn chỉnh dễ dàng cho việc kết nối thay phải đấu nối dây điện trực tiếp, an toàn sử dụng tránh tai nạn ý muốn Để nhận biết trạng thái ánh sáng môi trường học viên sử dụng cảm biến ánh sáng, Dựa nguyên lý làm việc quang điện trở ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn làm phát sinh điện tử tự do, tức dẫn điện tăng lên giảm điện trở chất bán dẫn, đặc tính điện độ nhạy quang điện trở phụ thuộc vào vật liệu chế tạo Trong bóng tối quang trở có điện trở lên đến vài MΩ, có ánh sáng điện trở giảm xuống mức vài Ω Module thiết kế với hai ngõ Analog Digital( TTL) đầu Digital thiết lập ngưỡng sáng chiết áp module, xoay chiết áp bên dấu “+” để tăng độ nhạy, xoay chiết áp bên dấu “-” để giảm độ nhạy Khi có ánh sáng đầu Digital mức 0( 0V-TTL) che tối mức 1( 5VTTL) Hình 3.4: Cảm biến thu thập liệu ánh sáng 20 Để thu thập giá trị nhiệt độ, độ ẩm môi trường, học viên sử dụng cảm biến nhiệt độ độ ẩm tương thích với Clover kit Module kết nối thơng qua cáp RJ11 Được tích hợp đo nhiệt độ độ ẩm xử lý nhằm đơn giản hóa kết nối tăng độ xác cho việc ghi nhận nhiệt độ độ ẩm mơi trường Độ xác cao, khả đáp ứng nhanh, khả kháng nhiễu tốt cảm biến lựa chọn cho dự án IoT Cảm biến với lõi DHT11 cảm biến thơng dụng chi phí rẻ dễ lấy liệu thông qua giao tiếp one wire (giao tiếp digital dây truyền liệu nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp cảm biến giúp người dùng có liệu xác mà khơng phải qua tính tốn Hình 3.5: Cảm biến nhiệt độ độ ẩm Khi đầy đủ thành phần kết nối bo mạch clover theo chuẩn RJ11, đảm bảo q trình đọc ghi liệu liền mạch để sẵn sàng cho chương trình xử lý trung tâm vi điều khiển nhúng thuộc chuẩn nhúng phổ biến atmega 328P phổ biến xây dựng hệ thống IoT Hình 3.6: Kết nối phần cứng hồn thiện 21 Phần cứng kết nối hoàn thiện với cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ độ ẩm có nhiệm vụ thu thập liệu môi trường, hai cảm biến xử lý lập trình board mạch clover kết nối cới port liệu tương ứng Bo mạch có nhiệm vụ truy nhập wifi ESP8266-ESP12 tích hợp bo mạch với anten pcb nhỏ gọn Phần truy nhập wifi cấu hình lập trình tài mục 3.1.2 Lập trình tầng firmware Hình 3.7: chu trình đọc ghi liệu từ cảm biến Dữ liệu thu thập từ cảm biến liên tục đọc ghi cập nhật lên server lưu trữ theo thời gian thực, xây dựng hàm updatesensor (tồn chương trình đính kèm phụ) void UpdateSensor() { Temperature = DHT11_getTemperature(); Humidity = DHT11_getHumidity(); Light = LightSensor_ReadasAnalog(2,PERCENT); IoT_SendData("IoTTemp",(String)(Temperature)); delay(5); IoT_SendData("IoTHumidity",(String)(Humidity)); delay(5); IoT_SendData("IoTLight",(String)(Light)); } Cấu trúc chương trình chia liệu thành tin “IoT send” thông qua giao thức MQTT để vận chuyển liệu đồng hóa, số liệu chuyển đổi thành dạng tin thích hợp MQTT broker liên tục update 22 Hình 3.8: Chu trình cập nhật liệu lên MQTT server Để cung cấp server chứa giao thức MQTT học viên sử dụng tảng cloudmqtt để chứa liệu thu thập lắng nghe tin truyền nhận để thực giao tiếp với tầng điều khiển vi điều khiển nhúng giao tiếp với tầng dashboard giao diện phía IoT_WifiConfig("admin","12345689"); IoT_ServerConfig("m13.cloudmqtt.com","11152"); IoT_UserConfig("admin","123456"); IoT_Listen("IoTControl"); 3.2 Xây dựng ứng dụng nhà thông minh Node RED Hình 3.9: Các node ứng dụng nhà thơng minh Node RED 23 3.3 Chạy thử nghiệm hệ thống Sau tiến hành khởi tạo thiết lập node Node RED, đồng thời load firmware cho phần cứng, cho kết tương ứng sau: Hình 3.13: Kết xây dựng ứng dụng điều khiển nhà thông minh Thông số chung sản phẩm: STT Nội dung Số lượng Cảm biến 2 Điều khiển Biểu đồ 3 Khác Khả Đo nhiệt độ(0-60oC), độ ẩm (0100%), ánh sáng (0-100%), Điều khiển 220VAC Vẽ biểu đồ thời gian thực Biểu đồ màu thay đổi theo mức (ví dụ: nhiệt độ trung bình biểu đồ màu vàng, nhiệt độ cao màu đỏ 3.4 Kết luận Chương cuối luận văn tập trung vào xây dựng trực tiếp hệ thống tảng Node RED lập trình phần cứng lựa chọn Kết nhận phần cứng hoạt động theo tính năng, chương trình phần mềm hiển thị giao diện điều khiển tương thích với phần cứng 24 KẾT LUẬN Dưới hướng dẫn người hướng dẫn khoa học với tập trung nghiên cứu thân, sau trình tìm hiểu, nghiên cứu, xây dựng giải toán đặt luận văn học viên hoàn thiện nội dung luận văn đáp ứng yêu cầu nội dung đặt theo đề cương xây dựng Về kết thực tế luận văn đạt được:  Cách thức cài đặt sử dụng tảng Node RED xây dựng ứng dụng IoT nói chung nhà thơng minh nói riêng  Xây dựng thành cơng chương trình điều khiển nhà thơng minh tảng Node RED  Xây dựng thành công thiết bị thử nghiệm nhà thơng minh có khả điều khiển thông qua internet Về định hướng nghiên cứu tiếp theo, học viên dự kiến thực công việc sau:  Phát triển nhiều node wifi đề điều khiển đa dạng  Phát triển hệ thống giao diện dashboard với tốc độ cao nhiều kịch điều khiển Cuối cùng, học viên xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô bạn Học viên quan tâm đến vấn đề trình bày luận văn ... Chính yếu tố kể trên, học viên định lựa chọn đề tài "Nghiên cứu xây dựng ứng dụng tảng Node RED phục vụ nhà thông minh" Sau trình tìm hiểu nghiên cứu thực thử nghiệm định, học viên xây dựng luận văn... Cách thức cài đặt sử dụng tảng Node RED xây dựng ứng dụng IoT nói chung nhà thơng minh nói riêng  Xây dựng thành cơng chương trình điều khiển nhà thơng minh tảng Node RED  Xây dựng thành công thiết... IoT_ServerConfig("m13.cloudmqtt.com","11152"); IoT_UserConfig("admin","123456"); IoT_Listen("IoTControl"); 3.2 Xây dựng ứng dụng nhà thơng minh Node RED Hình 3.9: Các node ứng dụng nhà thông minh Node RED 23 3.3