Nghiên cứu xây dựng hệ thống IOT phục vụ giám sát cảnh báo cháy cho hộ gia đình TT

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - HOÀNG NGỌC PHƯỢNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG IOT PHỤC VỤ GIÁM SÁT CẢNH BÁO CHÁY CHO HỘ GIA ĐÌNH 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 hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TRUNG HIẾU Phản biện 1: Phản biện 2: Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lục: ngày tháng năm 20 Có thể tìm hiểu luận văn tại: Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn Thơng MỞ ĐẦU Trong cập nhật phương diện khách quan ngân hàng giới Worldbank rằng, phát triển Việt Nam ba mươi năm qua đạt thành tựu đáng ghi nhận Đổi kinh tế từ năm 1986, thúc đẩy kinh tế phát triển nhanh, chuyển đổi từ kinh tế kế hoạch hóa tập trung sang kinh tế thị trường giúp nước ta từ quốc gia có thu nhập trung bình thấp trở thành quốc gia động Đơng Á Thái Bình Dương Việt Nam chứng kiến thay đổi nhanh chóng cấu dân số xã hội Dân số Việt Nam lên đến 96,5 triệu vào năm 2019 (từ khoảng 60 triệu năm 1986) dự kiến tăng lên 120 triệu dân tới năm 2050 Theo kết Tổng điều tra dân số Việt Nam năm 2019 [5], 55,5% dân số có độ tuổi 35, với tuổi thọ trung bình gần 76 tuổi, cao nước có thu nhập tương đương khu vực Cùng với phát triển dân số tỉ lệ độ thị hóa cao, đặc biệt thành phố lớn Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, mật độ dân số tăng cao, đồng nghĩa với mật độ nhà tăng theo Theo số liệu Bộ Xây Dựng công bố, thị trường bất động sản nước mười năm qua (2009-2019), có 5.000 dự án nhà với 3.774.000 nhà, bình quân năm phát triển khoảng 787.000 nhà [6] Vì lý em xin chọn đề tài luận văn tốt nghiệp "Nghiên cứu xây dựng hệ thống IoT phục vụ giám sát cảnh báo cháy cho hộ gia đình" Sau 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 hệ thống giám sát cảnh báo cháy Chương 2: Xây dựng mơ hình hệ thống IoT phục vụ giám sát cảnh báo cháy cho hộ gia đình Chương 3: Thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống IoT phục vụ giám sát cảnh báo cháy cho hộ gia đình CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT CẢNH BÁO CHÁY 1.1 Tổng quan tình hình cháy nổ giới Việt Nam Các hệ thống IoT ngày có vai trị quan trọng sản xuất kinh doanh mặt sống thu hút quan tâm, nghiên cứu toàn giới với mục tiêu kết nối vạn vật, việc giám sát, thu thập thơng tin phần quan trọng hệ thống IoT Việc nghiên cứu, xây dựng làm chủ hệ thống IoT thời gian thực phần cứng, phần mềm, phương thức kết nối, truyền tin có ý nghĩa khoa học cơng nghệ, từ làm tiền đề cho việc xây dựng ứng dụng phục vụ sống 1.1.1Tình hình cháy nổ giới Số vụ Tổng Số người chết Số cháy Năm dân số, nước (nghìn người) (tỉ/inch) (triệu vụ) Số vụ cháy trung bình 1000 inch Số người chết trung bình Mỗi 100000 inch Mỗi 100 vụ 2016 40 3.5 3.2 21.2 1.4 2.3 1.4 2017 34 2.2 2.5 22.3 2.8 2.2 1.5 2018 35 2.3 2.7 20.7 2.3 1.9 0.8 2019 31 1.1 3.5 18.4 3.5 1.8 0.5 2020 39 1.1 3.0 18.0 2.7 1.6 0.6 Bảng 1.1: Dữ liệu thống kê tình hình cháy nổ giới (2016-2020) 1.1.2 Tình hình cháy nổ Việt Nam Hình 1.1: Tình hình cháy nổ nước ta giai đoạn (2015-2019) 1.2 Hệ thống giám sát cảnh báo cháy 1.2.1 Mơ hình chung hệ thống giám sát, cảnh báo cháy Theo tiêu chuẩn Việt Nam phòng cháy chữa cháy (TCVN 5738:2001) kiến trúc chung hệ thống báo cháy gồm 03 phần Hình 1.2: Sơ đồ chung hệ thống giám sát cảnh báo cháy Thiết bị đầu vào: nơi lắp đặt thiết bị để phát hiện, tiếp nhận thông tin thay đổi môi trường xung quanh nguyên nhân gây đám cháy Trung tâm báo cháy: Thiết bị cung cấp lượng cho đầu báo cháy tự động thực chức sau đây: nhận tín hiệu từ đầu báo cháy tự động phát tín hiệu báo động cháy, thị nơi xảy cháy; truyền tín hiệu phát cháy qua thiết bị truyền tín hiệu đến nơi nhận tin báo cháy Thiết bị đầu ra: nơi cung cấp thơng tin cảnh báo, thực theo tín hiệu điều khiển từ Trung tâm báo cháy đưa tới 1.2.2 Một số hệ thống giám sát cảnh báo cháy phổ biến Nhìn chung, hệ thống cảnh báo cháy sử dụng giải pháp sau đây: Giải pháp kết nối điều khiển: Giải pháp thông thường (conventional): giải pháp sử dụng dây dẫn để giao tiếp khối, cảm biến (detectors) lắp rải rác khu vực gửi tín hiệu trở lại bảng điều khiển (panel) để xử lý gửi tín hiệu tương ứng tới thiết bị cảnh báo (alarm) Giải pháp sử dụng dây dẫn thường có kiểu áp dụng kiểm sốt vùng (zone), sở chia thành khu vực bao gồm nhiều cảm biến tầng 1,2, tầng hầm… Giải pháp Địa (Addressable): Gần tương tự giải pháp thông thường thay phân biệt vùng với vùng theo dõi số cảm biến, giải pháp địa gán cảm biến địa định, có cháy ta định vị xác vị trí cụ thể đám cháy cảm biến địa Giải pháp không dây (Wireless): Hoạt động gần tương tự giải pháp địa chỉ, tín hiệu truyền nhận liên kết vơ tuyến (radio-link) Giải pháp có phần lớn tính hệ thống địa cảm biến có địa riêng, nên có cháy địa điểm đám cháy bảng điều khiển Giải pháp cảm biến khói: Ion hóa (ionization): Cảm biến ion hóa thường nhạy với lửa cháy bừng Các loại cảm biến thường có mơt lượng nhỏ vật liệu phóng xạ tích tiện, từ ion hóa khơng khí làm cho có dịng điện chạy Khi khói vào buồng cảm biến, can thiệp dịng ion giảm dịng điện, từ kích hoạt cảm biến Quang điện (photo-electric): Thường phát lửa âm ỉ tốt Các cảm biến loại chĩa nguồn sáng vào buồng cảm biến góc cách xa cảm biến Khi khói vào buồng cảm biến phản xạ ánh sáng vào cảm biến, kích hoạt báo động Giải pháp cảm biến nhiệt: Nhiệt độ cố định (fixed temperature): Một cảm biến nhiệt độ cố định sử dụng hợp kim Khi nhiệt độ khu vực vượt qua nhiệt độ định mức thiết bị cảm biến nhiệt độ; hợp kim chảy tạo cảnh báo Thường nhiệt độ cố định cho cảm biến 115 độ F (gần 46 độ C) đến 135 độ F (gần 57 độ C) Để sử dụng lại cảm biến sau kích hoạt báo cháy cần thay hợp kim chảy Một số ví dụ thị trường gồm Series 5951J Johnson controls, series cảm biến học 5600 Honeywells, cảm biến nhiệt D603/ D604/ D605 Bosch Tốc độ tăng (Rate of rise): Loại cảm biến nhiệt sử dụng thành phần cảm nhận; dùng để phát tăng nhanh chậm/đều nhiệt độ khu vực Loại cảm biến thường nhạy chút so với cảm biến nhiệt độ cố định Có trường hợp tạo báo động:  Một thay đổi đột ngột nhiệt độ  Cảm biến đo độ tăng từ 12 độ F đến 15 độ F phút khu vực “Tốc độ tăng” đặc trưng cấu hình số model Một số ví dụ thị trường gồm Series 5951RJ Johnson controls, HI320C Siemens, DSC Hochiki Giải pháp báo động cháy (notification): Phần lớn giải pháp báo cháy phần lớn dựa vào báo hiệu âm hình ảnh sử dụng cịi (sounder) đèn nhấp nháy (strobe), người phát cháy sử dụng báo động tay (pull-station/ call point) để kích hoạt cịi đèn khơng cần qua cảm biến 1.2.3 Một số hệ thống cảnh báo cháy vào nước Hệ thống Intergral IP Schrack Seconet: Đây coi hệ thống tiên phong việc ứng dụng internet vào việc cảnh báo, phịng chống cháy nổ cơng ty Schrack Seconet Hệ thống đánh giá cao thị trường người tin dùng độ tiện lợi, trực quan, dễ dàng sử dụng có độ tích hợp cao Hệ thống có tính bật sau: + Sử dụng cơng nghệ IP làm chuẩn kết nối: Các bảng trung tâm điều khiển Intergral IP kèm giao thức IP, điều khiến việc truy cập từ xa trở nên khả thi thực đâu với máy tính, điện thoại thơng minh máy tính bảng + Giao diện phong phú: Hệ thống sử dụng nhiều giao diện giao thức chuẩn phổ biến BACnet, OPC, ESPA hay Modbus, vậy, tích hợp với sản phẩm khác, ví dụ hệ thống quản lý tịa nhà + Cảnh báo thơng minh: Intergral IP sử dụng ứng dụng mạng thông minh kèm, cho hệ thống thông minh tiện dụng Hệ thống cảnh báo cháy qua camera AVIOTECH IP 8000 Bosch Sercurity: Đây công nghệ Bosch Sercutity đến từ Cơng hịa Liên bang Đức, hệ thống bao gồm camera tích hợp thuật tốn tiên tiến Từ hệ thống kết hợp việc giám sát lẫn cảnh báo nguy hiểm liên quan đến cháy nổ, thích hợp để sử dụng nơi có tầm nhìn thơng thống tịa nhà văn phịng khu dịch vụ gym, bể bơi, lớp học, trung tâm thương mại tích hợp tịa chung cư Hình 1.3: Mơ tả hệ thống cảnh báo cháy qua camera AVIOTECH IP 8000 Tất đầu báo có cổng kết nối IP đằng sau cho phép kết nối mạng Từ đó, việc giám sát cài đặt thực cách dễ dàng qua PC thiết bị di động Các tính trội hệ thống bao gồm: - Thuật tốn phát khói lửa cách nhanh chóng - Có thể điều chỉnh thích nghi với mơi trường khác nhau, việc phát khói lửa bật tắt riêng biệt - Cài đặt với thiết bị có khả kết nối Internet PC (2) hay mobile (3) - Thu thập, lưu trữ liệu lại vào server, phục vụ cho công tác điều tra, phòng tránh trường hợp đáng tiếc tương tự xảy sau (1) Tại nước ta nay, chất lượng hệ thống báo cháy tòa nhà phụ thuộc vào ngân sách cơng trình, thời gian, mục đích phục vụ Tuy nhiên, với thời đại cơng nghệ phát triển nhanh chóng nay, hệ thống trở nên lỗi thời nhanh Hơn nữa, nói trên, việc lắp đặt, sửa chữa hay nâng cấp hệ thống cảnh báo cháy thường gặp khó khăn, tốn Điều dẫn đến việc lỗi thời, hỏng hóc có khả khơng hoạt động mong muốn Các thiết bị sử dụng nước hầu hết đến từ nhà cung cấp giải pháp cảnh báo cháy đến từ nước Nohmi, Siemens, Hochiki, Avenger,…Tuy nhiên, áp đảo đến từ thiết bị đến từ nước ngoài, năm gần đây, số tên lớn lĩnh vực công nghệ thông tin truyền thông Việt Nam bắt kịp xu thế, ứng dụng mạng Internet, IoT, Cloud để phát triển hệ thống riêng mình, điển iProtect VTC Digicom hay Viettel với hệ thống SafeOne 1.3 Xu phát triển hệ thống giám sát cảnh báo cháy Dân số gia tăng sống phát triển kéo theo nhiều nhu cầu an toàn, an tồn phịng chống cháy nổ Vì thế, giới có nhiều tập đồn, cơng ty lớn nhỏ đưa nhiều giải pháp giám sát, cảnh báo xử lý cháy nổ khác Các giải pháp đưa có nhiều tùy biến từ số lượng thiết bị con, độ tiện dụng, thân thiện với người dùng, phương thức, tầm hoạt động cảm biến mà phù hợp với mục đích sử dụng khơng gian (Ví dụ nhà ở, hộ, văn phòng làm việc, nhà kho, tầng hầm để xe…….) Hình 1.4: Xu hệ thống giám sát cảnh báo cháy Tuy nhiên chúng theo xu hướng phát triển chung đảm bảo tính sau: - Sử dụng đơn giản, thân thiện với người dùng: Đơn giản hóa việc giám sát, lắp đặt hay dịch vụ kèm hỗ trợ, gọi bảo dưỡng, sửa chữa, nâng cấp tính năng, phần mềm Các thơng tin, thơng báo tập trung vào bảng điều khiển việc lắp đặt tùy biến với nhu cầu người dùng mà không cần phải thay đổi hệ thống - Tiện lợi cho việc sửa chữa, bảo trì: Trong khứ, đèn báo lỗi lên, người sử dụng phải gọi cho phận kỹ thuật đến kiểm tra Ngày nay, hệ thống đại có khả thông báo trạng thái làm việc, vấn đề xảy hay lỗi trực tiếp bảng điều khiển Khơng thế, số hệ thống cịn kết nối đến dịch vụ bảo trì nhà cung cấp, phận kỹ thuật kiểm tra hệ thống từ xa, phát lỗi đưa phương án giải cách nhanh nhất, đơn giản hóa việc sửa chữa, bảo dưỡng nhiều - Khả kết nối, tích hợp: Các sản phẩm đại hầu hết kết nối với máy tính thiết bị khác thơng qua internet, kết nối với đồ sở hạ tầng, điều khiến việc giám sát trở nên trực quan tiện lợi việc đưa phương án sơ tán, chữa cháy, điều khiển hệ thống chữa cháy tự động, phát nạn nhân bị kẹt, đưa đánh giá, dự đoán hướng lửa hay thiệt hại đến cấu trúc cơng trình - Khả xác định vị trí: Việc xác định xác vị trí xảy thơng báo điều cần thiết để đưa phương án sơ tán, cứu nạn cứu hộ hỗ trợ lực lượng chức việc giải vấn đề, với sở rộng lớn, với kiến trúc nhiều tầng nhiều phịng ví dụ tịa nhà văn phịng hay khu chung cư - Tính xác: Cảnh báo giả, cảnh báo sai gây hoang mang, buộc cho khu vực phải sơ tán, giảm thiểu suất làm việc gây ức chế tâm lý Tuy nhiên, trường hợp cảnh báo muộn lại gây hậu nghiêm trọng Ngày nay, hệ thống cảnh báo đại ln tích hợp nhiều cảm biến khu vực thu thập liệu đưa định báo cháy dựa nhiều nguồn liệu khác lúc Việc bảo mật cần thiết để xác thực thông tin, người dùng, tránh trường hợp phá hoại - Tốc độ: Đi song song với tính xác trên, nhà sản xuất chạy đua để phát triển, nâng cấp thuật tốn xử lý tín hiệu để đảm bảo cho đầu báo cháy phải thật nhạy cảm với thay đổi dù nhỏ để cung cấp bảo vệ tin cậy cho tính mạng người thiết bị có giá trị - Thu thập liệu: Phòng chống cháy nổ chiến lâu dài khơng có hồi kết, thế, việc điều tra nguyên nhân quan trọng nhằm thay đổi quy luật, nguyên tắc, nghiên cứu, phát triển thiết bị tân tiến, tiện lợi, tin cậy Việc nghiên cứu ứng dụng IoT giám sát, cảnh báo cháy xem xu tương đối mới, với phát triển rộng rãi thiết bị di động nhà thơng minh, IoT có lực vượt trội khả giám sát, thu thập thơng tin, kết nối rộng khắp nghiên cứu tích hợp vào hệ thống báo cháy sẵn có Đặc biệt cả, nhà phát triển giải pháp báo cháy nhận hệ thống IoT liên tục theo dõi thu thập liệu từ cảm biến mơi trường theo thời gian thực xử lý, phân tích liệu để tìm xu hướng thay đổi thông số môi trường Từ phù hợp với lĩnh vực cảnh báo cháy: cảnh báo nguy cháy Một số báo có nhận xét tích cực tác dụng tiềm IoT việc cảnh báo cháy nói riêng cảnh báo thảm họa nói chung như: áp dụng IoT theo dõi tình liên quan đến hiểm họa mơi trường như: khí dễ cháy biểu cháy sớm để phát vùng nguy hiểm [6]; đề xuất mơ hình sở IoT có khả giúp kiểm sốt cháy tòa nhà giúp cải thiện việc di tản cứu hộ cháy Khi so sánh với mơ hình cảnh báo kiểm sốt cháy thơng thường, mơ hình IoT có ưu điểm sau: (1) thu thập thơng tin cách nhanh chóng kịp 12 nội địa tiêu dùng, người sử dụng IoT lớn hoạt động lĩnh vực công nghiệp, y tế, thành phố nông nghiệp Chuẩn ITU-T(International Telecommunication Union – TelecommunicationTiêu chuẩn viễn thông thuộc tổ chức viễn thông quốc tế): Theo ITU-T Study Group 13, định nghĩa Internet of Things sau: “Internet of Things (IoT) là: Một hạ tầng tồn cầu cho xã hội thơng tin, cho phép đưa dịch vụ tiên tiến cách kết nối (vật lý ảo) thứ, dựa công nghệ thơng tin truyền thơng (có khả liên kết) có phát triển tương lai Chú ý – Thông qua khai thác định danh, thu liệu, khả xử lý truyền thông, IoT thực sử dụng đầy đủ thứ để cung cấp dịch vụ tới tất ứng dụng, đảm bảo yêu cầu bảo mật riêng tư đáp ứng Chú ý – Từ quan điểm rộng hơn, IoT xem tầm nhìn với hàm ý xã hội công nghệ” 2.2 Hệ thống IoT giám sát cảnh báo cháy 2.2.1 Mơ hình hệ thống IoT giám sát cảnh báo cháy Sơ đồ khối chức năng: Mơ hình IoT giám sát, cảnh báo cháy việc bao gồm thành phần hệ thống IoT Node, Gateway, Server cịn gồm nhóm cảm biến liên quan đến việc đo đạc, giám sát thông số quan hệ mật thiết với đám cháy Ngoài ra, hệ thống cịn cịn khả phát thơng tin cảnh báo cho chủ nhà đối tượng liên quan Như vậy, mơ hình IoT giám sát, cảnh báo cháy thể hình 2.2 Hình 2.2: Sơ đồ khối mơ hình IoT giám sát, cảnh báo cháy Nguyên lý hoạt động: - Nhóm cảm biến: thực giám sát thơng số mơi trường liên quan đến khói, khí, nhiệt độ, lửa,… truyền tới IoT node Tín hiệu từ cảm biến truyền tới tín hiệu số tính hiệu tương tự 13 - IoT node: thực tiếp nhận thông tin từ cảm biến chuyển tới, chuyển đổi dạng tín hiệu phù hợp, số hóa (đối với thơng tin đến dạng tín hiệu tương tự), xử lý thơng tin thơng qua đặc tính cảm biến qua việc khảo sát thực tế tham số môi trường - IoT gateway: nhận thơng tin từ nhiều node gửi tới, thực tiếp tục xử lý hoặc không, sau tiến hành tập hợp, đóng gói để chuyển tiếp lên server - Server: thực việc lưu trữ thông tin, hiển thị thay đổi tham số theo thời gian thực Web/App, xử lý thông tin để phát tín hiệu cảnh báo Các hình thức cảnh báo từ thông tin Server SMS, email, Web/App 2.2.2 Kết nối hệ thống IoT giám sát cảnh báo cháy Trong hệ thống IoT việc kết nối thực thơng qua đường truyền có dây khơng dây, đó: Kết nối cảm biến với IoT node thường thực thơng qua kết nối có dây gắn trực tiếp cảm biến lên bảng mạch với IoT node Kết nối IoT node với IoT gateway thường sử dụng phương thức kết nối không dây, điều vừa đảm bảo tính linh hoạt, đa đạng vừa góp phần thể khả thích ứng tốt, dễ dàng mở rộng phạm vi giám sát, tùy biết số node mạng Kết nối IoT gateway server thường thực thông qua mạng internet với nhiều phương thức khác chủ yếu kết nối không dây sử dụng kết nối Wifi, modul 4G,… Trong hệ thống báo cháy kết nối đầu dò cháy với trung tâm điều khiển chủ yếu kết nối có dây dẫn đến khó khăn việc thi cơng, sửa chữa, bảo dưỡng hay bổ sung việc kết nối phần kết nối IoT node (bao gồm cảm biến) IoT gateway sử dụng đường truyền không dây tỏ có nhiều ưu điểm vượt trội việc thay đổi, sửa chữa, bổ sung node giám sát Tuy nhiên, có nhiều phương thức kết nối khơng dây chất lượng, giá thành lại có khác biệt tương đối lớn trường hợp hệ thống IoT có số lượng IoT node lớn Dưới đây, đề tài trình bày số phương thức truyền thông không dây phổ biến ứng dụng kết nối node gateway 2.3 Chuẩn giao tiếp không dây phổ biến Với phát triển vượt bậc cơng nghệ phần cứng máy tính, cho phép thực kết nối không dây vật Các smartphone có đầy đủ tính máy tính 14 người ta khai thác triệt để smartphone để ứng dụng chúng cho việc giám sát điều khiển đối tượng cách thông minh Mạng không dây hệ thống thiết bị nhóm lại với nhau, có khả giao tiếp thơng qua sóng vơ tuyến thay đường truyền dẫn dây Hiện nhiều phương thức truyền thông không dây sử dụng để truyền nhận liệu áp dụng để điều khiển đối tượng thông minh, phải kể đến Bluetooth, Wifi, Zigbee, SMS, RF, hồng ngoại Các phương thức kết nối điều khiển không dây phổ biến ban hành thành chuẩn như: Bluetooth, Wifi a) Bluetooth Bluetooth công nghệ không dây cho phép thiết bị điện, điện tử giao tiếp với khoảng cách ngắn, sóng vơ tuyến qua băng tần chung ISM dải tần (2,4- 4,48) MHz Mục đích Bluetooth dùng để thay cáp nối máy tính thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến thiết bị điện tử với cách thuận tiện, giá thành rẻ Thời gian Chuẩn Thuật ngữ 1999 1.0 2002 1.1 2003 1.2 2004 2.0 EDR 2009 3.0 HS 2010 4.0 Low Energy (1Mbps) lượng thấp 2013 4.1 Hỗ trợ LTE 2014 4.2 2016 5.0 Tốc độ tăng gấp hai lần 4.2 2019 5.1 Tăng gấp lần độ phủ sóng 2020 5.2 BR LE EATT Mơ tả Basic Rate (1 Mbps), bluetooth chuẩn Enhanced Data Rate, bluetooth nâng cao High Speed, bluetooth tốc độ cao Kết nối IP, bảo mật, tốc độ cao Enhanced Attribute, nâng cao thuộc tính, kết nối từ nhiều nguồn đến thiết bị Bảng 2.1: Lịch sử hình thành cơng nghệ Bluetooth Kiến trúc Bluetooth gồm tầng: điều khiển (Controller) thường thiết bị vật lý có khả truyền nhận gói tin dạng tín hiệu vô tuyến; chủ (Host) thường phần mềm quản lý việc truyền thông thiết bị; ứng dụng (Application) 15 Đặc điểm: Tiêu thụ lượng thấp, ứng dụng nhiều loại thiết bị, giá thành rẻ, dễ dàng việc phát triển ứng dụng, an toàn bảo mật cao, tính tương thích cao nên nhiều nhà sản xuất phần cứng phần mềm hỗ trợ Tuy nhiên, có nhược điểm khoảng cách giao tiếp ngắn, dễ bị nhiễu, bắt sóng có vật cản, thiết lập kết nối tương đối lâu c) Lora Nếu giao thức bluetooth đời từ lâu không hẳn phục vụ riêng cho ứng dụng thuộc hệ sinh thái IoT, giao thức bluetooth mà cụ thể bluetooth lượng thấp BLE phát triển mạnh mẽ để tích hợp vào thiết bị thơng minh phục vụ ứng dụng nhúng nói chung đặc biệt thiết bị nhà thơng minh nói riêng Cơng nghệ LoRa (Long Range Radio), phát triển Semtech , giao thức không dây thiết kế để truyền thông tầm xa, lượng thấp Giao thức cung cấp loại khả liên lạc mà thiết bị thông minh cần có, Liên minh LoRa hoạt động để đảm bảo khả tương tác nhiều mạng toàn quốc 2.4 Một số phương thức trao đổi liệu hệ thống IoT 2.4.1 Giao thức Mysensor Các thiết bị MySensors tạo mạng vô tuyến ảo nút tự động tạo thành cấu trúc Mỗi nút chuyển tiếp tin nhắn cho nút khác để tăng phạm vi cách sử dụng thu phát ngắn đơn giản Nút (S): liên tục đọc liệu cảm biến gữi liệu qua mạng tới cho gateway ngủ hầu hết thời gian ta muốn chạy với pin Nút chuyển tiếp (R): Phải hoạt động để chuyển tiếp tin từ nút tới gateway (R) có vài cảm biến hoạt động (S) Trừ cần mạng lớn với bán kính > 60m (R) cần thiết Gateway (GW): Gửi liệu từ mạng cảm biến tới giao diện điều khiển từ giao diện điều khiển trở lại mạng Chúng ta thêm cảm biến vào (GW) 2.4.2 Giao thức MQTT Đây thức truyền thông điệp dạng message theo mơ hình xuất bản/theo dõi publish/subscribe phù hợp với đường truyền băng thơng thấp, có độ tin cậy cao có khả hoạt động điều kiện đường truyền không ổn định 2.4.3 Giao thức Domoticz 16 Domiticz hệ thống webserver hỗ trợ cho việc điều khiển theo dõi thiết bị nhà với giao diện chuyên nghiệp đẹp, đề tài sử dụng webserver để giao tiếp với Gateway từ giao tiếp, điều khiển thiết bị mạng cảm 2.5 Nền tảng xây dựng ứng dụng Node RED Trong trình tìm hiểu để xây dựng đề cương cho luận văn, học viện nhận thấy việc cần xây ứng dụng để hiển thị liệu thu thập từ cảm biến môi trường điều khiển số cấu đơn giản hệ thống giám sát cảnh báo cháy cho hộ gia đình Cách cài đặt Node RED: $ sudo apt-get install node.js –y #cai dat node.js# $ sudo apt-get install nodejs-legacy #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 Hình 2.3: Màn hình làm việc Node RED Khi thiết lập hoàn tất truy cập vào địa Node RED tiến hành sử dụng 17 2.6 Kết luận Chương luận văn học viên trình bày đặc điểm hệ thống IoT xu hướng phát triển hệ thống, đồng thời giới thiệu hai chuẩn thiết bị IoT theo IEC ITU-T Cũng chương học viên trình bày đặc điểm mơ hình hệ thống IoT kết nối hệ thống, đặc biệt giao thức trao đổi liệu gồm có mysensor, MQTT, domoticz với số chuẩn giao tiếp không dây bật gồm bluetooth, wifi, lora Cuối giới thiệu Node RED, cách thức cài đặt cấu hình trình xây dựng ứng dụng 18 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG IOT PHỤC VỤ GIÁM SÁT CẢNH BÁO CHÁY CHO HỘ GIA ĐÌNH 3.1 Thiết kế hệ thống Mơ hình thiết kế hệ thống triển khai thực thiết kế thành phần hệ thống với công việc chính: Xây dựng mơ hình thiết kế, thiết kế phần cứng, phần mềm hệ thống (cho IoT node, IoT gateway), triển khai webserver,… đảm bảo hai yếu tố tính thời gian thực, khả đưa cảnh báo sớm tới người dùng Hình 3.1: mơ hình hệ thống IoT thời gian thực ứng dụng giám sát, cảnh báo cháy hộ gia đình Diễn giải: Khối cảm biến: gồm cảm biến nhiệt độ, độ ẩm cảm biến khói khí gas để thu thập liệu từ mơi trường Khối IoT node IoT gateway tích hợp module ESP8266, vừa có nhiệm vụ xử lý liệu thu thập từ cảm biến môi trường vận chuyển liệu giao tiếp wifi lên server MQTT Khối Node RED: giao diện dashboard để người sử dụng quan sát thơng số hệ thống mơi trường, giao diện truy cập từ điện thoại máy tính 3.1.1 Lựa chọn cảm biến mơi trường a) Cảm biến khói MQ135 Cảm biến khói hiểu thiết bị điện tử cảm nhận tồn khói mơi trường, chuyển đổi thành tín hiệu điện tử gửi trung tâm báo cháy để kích hoạt báo động Cảm biến sử dụng hộ gia đình cần đảm bảo nhận biết đa dạng loại khói có giá thành phù hợp b) Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 19 DHT11 cảm biến nhỏ gọn, chi phí rẻ sử dụng rộng rãi ứng dụng IoT Sử dụng cảm biến này, có khả đọc nhiệt độ, độ ẩm, truyền liệu cách đơn giản 3.1.2 Vi điều khiển ESP8266 Module giao tiếp Wifi ESP8266 kết hợp lập trình module xây dựng chip Wifi SoC ESP8266, dịng ESP dùng Arduino hinhđể lập trình nạp code, điều khiến việc sử dụng lập trình ứng dụng ESP8266 trở nên đơn giản ESP12 chân thu gọn ESP8266 3.1.3 Lập trình phần mềm hệ thống a) Đọc giá trị nhiệt độ độ ẩm Học viên sử dụng thu gọn ESP12 để kết nối với cảm biến Hình 3.2: Kết nối thực tế cảm biến nhiệt độ độ ẩm với wifi ESP12 Khởi tạo setup chế độ: #include "DHT.h" #define DHTPIN // GPIO #define DHTTYPE DHT11 //dinh nghia cha DHT 11 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);// khoi tao DHT void setup() { Serial.begin(9600); Serial.println("DHT11 data:"); dht.begin(); } Hàm đọc giá trị nhiệt độ theo độ C: // Reading temp and humi takes about 250ms float h = dht.readHumidity(); float t = dht.readTemperature(); // Read temperature 20 b) Đọc giá trị cảm biến khói MQ135 Hình 3.3: Kết nối cảm biến MQ135 với wifi ESP8266 Khởi tạo kết nối wifi cho ESP8266, đồng thời kết nối đến cloud MQTT String apiKey = "14K8UL2QEK8BTHN6"; // Enter your Write API key from MQTT cloud const char *ssid = "admin"; // replace with your wifi ssid and wpa2 key const char *pass = "12345678"; const char* server = "m13.cloudmqtt.com","11152"; Chương trình đọc giá trị từ cảm biến MQ135: MQ135 gasSensor = MQ135(A0); float air_quality = gasSensor.getPPM(); Serial.print("Air Quality: "); Serial.print(air_quality); Serial.println(" PPM"); Serial.println(); Tồn chương trình có phần phụ lục 3.2 Xây dựng ứng dụng giám sát cảnh báo cháy Node RED Các bước dựng dashboad nhúng giao thức MQTT: Cấu hình node cảm biến khởi tạo cấu hình cảm biến gắn trường giữ liệu trường liệu cảm biến độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng (các trường cảm biến tương tự nhau) Tại cửa sổ network giao diện Node RED chọn button “mqtt in” điền trường sau 21 Hình 3.4: khởi tạo MQTT in Sử dụng button “mqtt in” kéo vào cửa sổ làm việc Node RED đồng thời tiến hành thiết lập thơng số node cảm biến Hình 3.5: khai báo trường node cảm biến nhiệt độ Giải thích trường cần cấu hình: Server: nơi chứa địa mqttcloud với port tương ứng Topic: chứa tên gọi topic khởi tạo MQTT, topic tương ứng với tên trường liệu truyền từ thiết bị ESP8266 lên Đối với ảnh cấu hình cho cảm biến ánh sáng tương thích với “IoTemp” QoS: mức bảo mật thường để Output: auto detect, tự động chuyển đổi kiểu liệu Name: nhãn tên hiển thị lên giao diện Đối với Node RED việc cấu hình biểu đồ để hiển thị liệu đơn giản, cấu hình cho giao diện người dùng nhà thơng minh không cần phức tạp phải hiển thị liệu cụ thể tiện thao tác cho người dùng Đặc biệt kết nối thiết bị có mức độ ổn định khác có độ trễ định cần cấu hình giao thức MQTT cho phép tin truyền nhận theo khung liệu dạng chuỗi json để đảm bảo tin kẻ băng thông thấp khơng ổn định 22 Hình 3.6: Cấu hình node cảm biến biểu đồ, đồ thị a) Cấu hình cảnh báo Ở mục thơng báo học viên sử dụng cách thông báo email đến người dùng thông qua hỗ trợ Node RED, cách sử dụng dịch vụ SMTP gmail server, cho phép gửi mail thông báo đến địa mail xác định trước Học viên tiến hành xây dựng hàm nhận biết điều kiện tiêu cực từ cảm biến để đưa email thông báo: var payload=msg.payload; var alarm_flag=context.get("alarm_flag"); if(typeof alarm_flag=="undefined") alarm_flag=false; if (payload>status1&& !alarm_flag) { alarm_flag_true; msg.larm=1; context.set("alarm_flag",alarm_flag); rerurn msg; } if (payload