Bài tập lớn môn mạng và truyền thông (9)

HỌC VIỆN NGÂN HÀNG KHOA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUẢN LÝ - BÀI TẬP LỚN Học phần: Mạng truyền thông ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG IOT TRONG LĨNH VỰC SMART HOME Giảng viên hướng dẫn: Thầy Lê Văn Hùng Nhóm thực hiện: Nhóm Lớp học phần: IS06A03 Hà Nội, tháng năm 2022 DANH SÁCH THÀNH VIÊN VÀ PHẦN TRĂM ĐÓNG GÓP STT Họ tên Mã sinh viên Nhiệm vụ Phạm Thị Thanh Huyền 22A4040074 Làm phần 1,2 Phần trăm đóng góp 22% chương 3, làm demo, thuyết trình Nguyễn Hồi Ngọc 22A4040114 Làm phần 1, 2, 21% chương 2, làm word Nguyễn Thị Thúy 22A4040145 Làm phần 3, 21% chương 3, thuyết trình Lê Thị Hịa 22A4040081 Làm phần 4, 5, 16% chương 2, làm powerpoint Lê Quốc Trung 23A4040150 Làm chương 1, làm word 20% MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU IoT gì? Smart home gì? PHẦN II: ỨNG DỤNG CỦA IOT TRONG LĨNH VỰC SMART HOME Cấu trúc hệ thống a, Thiết bị đầu cuối 10 b, Thiết bị kết nối (Bộ điều khiển trung tâm) 10 c, Giao thức mạng (Giao thức kết nối) 10 d, Kết nối Internet 10 Các thành phần hệ thống (Các cảm biến) 11 a, Cảm biến nhiệt độ độ ẩm 11 b, Cảm biến khói 12 c, Cảm biến chuyển động 12 d, Cảm biến cửa 13 Các công nghệ không dây sử dụng 13 a, Công nghệ không dây - Wifi: 14 b, Công nghệ không dây - Bluetooth 15 c, Công nghệ không dây - Zigbee 15 Các ứng dụng hệ thống Smart home 16 a, Hệ thống ánh sáng thông minh: 16 b, Hệ thống điều khiển rèm cửa: 17 c, Hệ thống an ninh giám sát: 17 d, Hệ thống kiểm sốt mơi trường: 17 e, Hệ thống âm đa vùng: 18 f, Hệ thống chiếu sáng thông minh: 18 Cơ chế điều khiển 19 Ưu nhược điểm nhà Smart home 20 a, Ưu điểm 20 b, Nhược điểm 21 PHẦN III: THỊ TRƯỜNG VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN 21 Tổng quan thị trường Smart home giới 21 Thị trường Smart home Việt Nam 23 Xu hướng phát triển thị trường Smart home Việt Nam 25 a, Đơn giản hóa thiết bị thông minh hướng tới DIY: 25 b, Tăng cường bảo mật tiện nghi cho người dùng: 26 c, Tiết kiệm sống xanh với môi trường: 26 d, Sử dụng nhà thông minh giọng nói: 27 e, Mở rộng thiết bị nhà thông minh: 28 Cơ hội thách thức của thị trường Smart home Việt Nam 28 a, Cơ hội 28 b, Thách thức 29 PHẦN IV: KẾT LUẬN 30 PHẦN 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH TRÊN PHẦN MỀM PACKET TRACER 30 Mô hình hệ thống 30 Sơ đồ khối 31 Xây dựng triển khai nhà thông minh 32 a, Hệ thống bật, tắt thiết bị gia đình, đồ gia dụng điện tử: 34 b, Hệ thống đóng, mở cửa sổ thông minh: 35 c, Hệ thống tưới thông minh: 36 d, Hệ thống tắt, mở quạt: 37 e, Hệ thống tắt, mở điều hòa: 38 f, Hệ thống tắt, mở máy sưởi: 38 g, Hệ thống giữ ẩm: 39 h, Hệ thống chiếu sáng thông minh: 40 i, Hệ thống phát khí CO2: 41 j, Hệ thống kích hoạt camera thơng minh: 42 k, Hệ thống chống trộm: 43 l, Hệ thống cảm biến đặt trời: 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 47 LỜI MỞ ĐẦU Vài năm trở lại đây, Việt Nam người ta hay nhắc đến khái niệm “Nhà thông minh” Trước đây, hệ thống nhà thong minh xem tiện nghi cao cấp Có lé xuất phim ảnh, khó mà xuất thực tế bên Nhưng ngày nay, với sự phát triển khoa học-công nghệ, đặc biệt với sự đời IoT, dự án nhà thông minh dần trở thành sự thật với ý tưởng nhà thông minh bắt đầu triển khai thực hóa vào đời sống Các giải pháp cụ thể điều khiển thiết bị nhà thông minh bắt đầu thực nhằm mang lại sự tiện lợi cho việc quản lí Ngày này, nhu cầu kết nối mạng thiết bị nhà ngày lớn sự gia tăng số lượng máy tính, thiết bị ngoại vi, thiết bị điện gia dụng, hệ thống giải trí đa phương tiện, thiết bị di dộng khác, Chính lí đó, cần phải có cơng nghệ liên kết thiết bị lại với có khả quản lí, điều khiển, kiểm sốt, phục vụ cho mục đích sử dụng người Vì vậy, sự đời sản phẩm công nghệ Smart home đáp ứng tất yêu cầu Đây xem giải pháp tiên tiến hướng người đến sống thoải mái tiện nghi Vậy nhà thông minh gì? Mang đến giá trị gì cho người sử dụng? Nguyên lí hoạt động nhà thông minh nào? Để làm rõ cho câu hỏi trên, nhóm chúng em thực báo cáo với đề tài “Ứng dụng công nghệ IoT lĩnh vực Smart home” Qua giúp người đọc hiểu rõ khái niệm nhà thông minh nắm rõ tồn thơng tin Smart home từ ngun lí hoạt động, thiết bj hệ thống, thị trường tiềm Smart home trương lại,… PHẦN I: KHÁI NIỆM IoT gì? Internet of Things (IoT) hay gọi Internet vạn vật 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 Internet vạn vật lan tỏa lợi ích mạng internet tới đồ vật kết nối, không dừng lại phạm vi máy tính Khi đờ vật kết nối với internet, trở nên thông minh nhờ khả gửi và/hoặc nhận thông tin tự động hoạt động dựa thơng tin Các thiết bị IoT đồ vật gắn thêm cảm biến để thu thập liệu môi trường xung quanh (giống giác quan), máy tính/bộ điều khiển tiếp nhận liệu lệnh cho thiết bị khác, hoặc đờ vật tích hợp hai tính 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 Smart home gì? Nhà thơng minh (tiếng Anh: home automation, domotics, Smart home hoặc Intellihome) kiểu nhà lắp đặt thiết bị điện, điện tử điều khiển hoặc tự động hoá hoặc bán tự động Thay người thực hoặc số thao tác quản lý, điều khiển Hệ thống điện tử giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt nhà, ứng dụng điện thoại di động, máy tính bảng hoặc giao diện web Chúng ta có ví dụ thực tiễn này: bạn bước vào nhà, hệ thống đèn chiếu sáng tự động bật lên để chào đón bạn, nhiệt độ nhà điều tiết cảm biến nhiệt để đảm bảo sự thoải mái dê chịu – thông qua việc kết hợp với thiết bị khác máy lạnh, lị sưởi hay máy lọc khơng khí Bên cạnh đó, hệ thống điện có khả tự phân tích xử lý để tiết kiệm điện hiệu nhất, tự động ngắt hoạt động để bảo đảm an tồn chẳng may có sự cố điện Dựa vào ví dụ nêu trên, ta có: - Cảm biến ánh sáng để tự trì mức chiếu sáng hợp lý cho phòng khác như: phòng ăn, phòng khách, phòng ngủ - Cảm biến nhiệt độ để phân tích nhiệt độ độ ẩm khơng khí – từ đưa mức nhiệt độ tốt cho sức khỏe người sử dụng - Hệ thống khóa cửa tự động - Hệ thống chống trộm thông minh cảm biến chuyển động - Hệ thống camera giám sát tự động thông báo với người dùng có sự xâm nhập Ngồi thứ đó, cơng nghệ tiên tiến đưa tới sáng chế độc đáo hữu ích loa nhiều cơng suất hay hệ thống tưới nước tự động cho trồng, phích cắm thơng minh tự ngắt ng̀n để bảo vệ an tồn điện cho người – ngơi nhà – thiết bị… a, Lịch sử hình thành Thời kì trước, khái niệm nhà thông minh với khả điều khiển từ xa, điều khiển nút bấm xuất phim ảnh, bây giờ, với sự vững mạnh khoa học công nghệ ứng dụng nghệ, nhà thơng minh ko cịn xa vời Tại nước ta, cần đầu tư từ 50 -150 triệu đờng, khách hàng sở hữu đờ dùng nhà thông minh độc đáo mang hởi thở tiên tiến Vào năm 1915, sự xuất kĩ thuật điện tử phiên mạch bán dẫn làm thay đổi chiều hướng kỹ thuật người 1930, lúc thiết bị dùng phổ thơng hơn, người ta bắt đầu hình dung sự xuất nhà hiểu ý muốn chủ nhân Mãi năm 1984, khái niệm “Smart home” xuất định nghĩa cách xác Sự lớn mạnh kỹ thuật truyền tải ko dây, công tắc điện thông minh vật liệu kĩ thuật điện đại ánh sáng soi đường cho con đường tự động hóa nhà Tính đến năm 2012, ABI Research thống kê: Tại Mỹ có 1,2 triệu nhà tự động hóa để trở nên thơng minh PHẦN II: ỨNG DỤNG CỦA IOT TRONG LĨNH VỰC SMART HOME Cấu trúc hệ thống Hệ thống Smart home vận hành nhiều thiết bị Thông qua kết nối, người dùng điều chỉnh lúc tùy ý cài đặt nhiều chương trình khác Theo nhà sản xuất, hệ thống điều khiển nhà thông minh bao gồm: a, Thiết bị đầu cuối Thiết bị đầu cuối bao gờm loại máy móc, đèn, khóa cửa, tivi, cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng, phục vụ sống ngày Một vài thiết bị cần sử dụng wifi để hoạt động, điển hình camera Một số hệ thống điện thông minh khác lại sử dụng giao thức Zigbee đèn thông minh, chuông cửa, cảm biến, Các hệ thống vận hành dựa điều khiển trung tâm b, Thiết bị kết nối (Bộ điều khiển trung tâm) Thiết bị kết nối thiết bị đầu cuối gọi Hub hay Gateway Đây thiết bị trung gian giúp thiết bị không sử dụng wifi kết nối với Internet Bên cạnh đó, Hub giúp giao thức khác kết nối với Hub cịn có khả tạo giao diện chung để người dùng quản lí nhiều thiết bị lúc Ngoài ra, việc sử dụng thiết bị điều khiển dễ dàng hết với phần mềm hỗ trợ điện thoại hoặc thiết bị điều khiển khác c, Giao thức mạng (Giao thức kết nối) Giao thức kết nối nhà thông minh ngôn ngữ thiết bị nhà thông minh giao tiếp với Nếu thiết bị khơng thể “nói chuyện” với nhau, ý tưởng biến ngơi nhà bình thường trở thành nhà thơng minh bị phá sản hồn tồn Người dùng giao tiếp, điều khiển thiết bị nhà thơng minh thơng qua giọng nói nhờ vào cơng nghệ Z-Wave, Zigbee, Wifi, Do đó, cốt lõi hệ thống điều khiển nhà thơng minh d, Kết nối Internet Internet đóng vai trò cầu nối thiết bị nhà thông minh với Server (máy chủ trung gian) phần mềm điều khiển từ xa người dùng Nhờ mạng lưới 10 Hình 4: Kết nối thiết bị tới Home Gateway Kết nối thiết bị điều khiển (điện thoại thông minh, máy tính bảng,…) tới Home Gateway: 33 Hình 5: Kết nối thiết bị điều khiển tới Home Gateway Các hệ thống triển khai mơ hình demo bao gồm: a, Hệ thống bật, tắt thiết bị gia đình, đồ gia dụng điện tử: Hệ thống thực tác vụ bật/mở thiết bị, đồ gia dụng điện tử như: loa, rèm cửa, cửa vào, máy pha cafe,…chỉ cần thiết bị kết nối với Internet thì thao tác bật/mở trực tiếp điện thoại thơng minh, máy tính bảng,… cú click mà không cần dùng điều khiển hay tay 34 Hình 6: Hệ thống bật, tắt thiết bị gia đình, đồ gia dụng điện tử b, Hệ thống đóng, mở cửa sổ thơng minh: Hệ thống thực tác vụ đóng/mở cửa sổ dựa thơng số nhiệt độ thu thập từ môi trường bên qua thiết bị cảm biến nhiệt độ Nếu nhiệt độ mơi trường q cao hệ thống tự động mở cửa sổ (con số ví dụ hình lớn 15 độ C) Ngược lại, nhiệt độ mơi trường xuống thấp hệ thống tự động đóng cửa sổ (con số đưa mô hình nhỏ 15 độ C) Các thơng số điều khiển tùy chỉnh dựa theo nhu cầu hộ gia đình Các tác vụ hoàn toàn thực cách tự động mà không cần người điều khiển Đương nhiên, việc điều khiển thực tay hoặc thao tác đóng/mở thiết bị khiển thơng minh 35 Hình 7: Hệ thống đóng, mở cửa sổ thơng minh c, Hệ thống tưới thơng minh: Trong hộ gia đình, ngồi khơng gian sinh hoạt thì không gian vui chơi sân vườn, không gian xanh nhiều hộ gia đình quan tâm Để đáp ứng yếu tố này, chúng em xây dựng hệ thống tưới thơng minh, giúp điều hịa độ ẩm đất, đảm bảo điều kiện tốt cho xanh trì phát triển sự sống Hệ thống vòi tưới tự động mở/tắt tùy thuộc vào độ ẩm, mực nước đo đất thông qua thiết bị đo lường mực nước Các thơng số ví dụ đặt hệ thống là: nhỏ 10 cm thì vòi nước mở để làm mát cây, ngược lại mực nước lớn 10 cm thì vòi nước tắt Bên cạnh đó, trời mưa hoặc mực nước q cao gây nên tình trạng ngập úng có hệ thống nước xử lý Cụ thể ví dụ demo lớn 17 cm thì hệ thống thoát nước tự động mở, ngược lại hệ thống nước đóng lại để giữ lượng nước ổn định Các thông số tùy chỉnh theo yêu cầu người dùng 36 Hình 8: Hệ thống tưới thơng minh d, Hệ thống tắt, mở quạt: Đối với hệ thống này, thiết bị quạt tự động thay đổi tốc độ hoặc tắt tùy theo nhiệt độ không gian nhà Chúng em thiết lập với điều kiện, nhiệt độ mơi trường cao 17 độ C quạt thổi mạnh, nằm khoảng nhiệt độ từ 15 độ C đến 17 độ C thì quạt thổi nhẹ nhiệt độ nằm 15 độ C quạt tự động tắt Mức nhiệt độ hồn tồn tùy chỉnh theo u cầu người dùng để phù hợp với nhu cầu, sở thích Hình 9: Hệ thống tắt, mở quạt 37 e, Hệ thống tắt, mở điều hòa: Tương tự hệ thống tắt/mở quạt, hệ thống tự động tắt/mở điều hòa theo điều kiện cài đặt Chúng em thiết lập với điều kiện, nhiệt độ môi trường cao 20 độ C thì điều hòa tự động mở nhiệt độ nằm 20 độ C thì điều hòa tự động tắt Bên cạnh đó, điều hịa bật cửa sổ tự đơng đóng lại để làm mát phịng, đờng thời giúp gia chủ tiết kiệm điện Mức nhiệt độ hồn tồn tùy chỉnh theo u cầu người dùng để phù hợp với nhu cầu, sở thích Hình 10: Hệ thống tắt, mở điều hịa f, Hệ thống tắt, mở máy sưởi: Bên cạnh việc làm mát việc giữ ấm cho nhà điều nhiều gia đình quan tâm hướng tới Để đáp ứng nhu cầu chúng em thiết lập thiết lập hệ thống tự động bật máy sưởi với điều kiện, nhiệt độ môi trường thấp 10 độ C thì máy sưởi tự động mở nhiệt độ lớn 10 độ C máy sưởi tự động tắt Mức nhiệt độ hoàn toàn tùy chỉnh theo yêu cầu người dùng để phù hợp với nhu cầu, sở thích 38 Hình 11: Hệ thống tắt, mở máy sưởi g, Hệ thống giữ ẩm: Độ ẩm yếu tố quan trọng sống thường nhật ngày Bởi độ ẩm cao khiến cho mơi trường vi khuẩn xung quanh phát triển, ngược lại môi trường thiếu độ ẩm, khơng khí khơ gây nứt nẻ vấn đề hô hấp, ảnh hưởng đến sức khỏe gia đình Độ ẩm khơng khí thích hợp để khơng ảnh hưởng đến sức khỏe từ ngưỡng 30% đến 50% Nhận thấy điều đó, nhóm chúng em triển khai hệ thống giữ ẩm Cụ thể toán này, độ ẩm mơi trường ngồi đo thông qua thiết bị đo độ ẩm Khi độ ẩm khơng khí q thấp, 30%, hệ thống tự động bật máy giữ ẩm, ngược lại máy giữ ẩm tắt Còn độ ẩm khơng khí cao 50% hệ thống tự đọng bật điều hịa làm khơ, hút ẩm khơng khí, ngược lại thì điều hòa tắt Mức độ ẩm hồn tồn tùy chỉnh theo u cầu để phù hợp với nhu cầu, sở thích, sức khỏe người dùng 39 Hình 12: Hệ thống giữ ẩm h, Hệ thống chiếu sáng thông minh: Hệ thống chiếu sáng thành phần thiếu không gian sống thường nhật Đây hệ thống tự điều khiển thiết bị chiếu sáng hộ, tùy thuộc vào điều kiện môi trường xung quanh Cụ thể toán này, điều kiện chúng em sử dụng độ sáng nhận từ mơi trường bên ngồi đo thông qua pin lượng mặt trời Khi bảng lượng mặt trời phát lượng nhận đủ lớn (ánh sáng mặt trời chiếu xạ nhiều) hệ thống đèn tự động tắt, ngược lại hệ thống đèn bật Với chế độ giúp người thoải mái tiết kiện điện tiêu thụ Ngồi ra, thực thêm việc tùy chỉnh tăng hoặc giảm độ sáng thiết bị chiếu sáng cho phù hợp với nhiều hoàn cảnh (tăng thêm mức hoạt động sáng mạnh, sáng vừa, sáng dịu…), giúp tăng tính linh hoạt cho hệ thống 40 Hình 13: Hệ thống chiếu sáng thơng minh i, Hệ thống phát khí CO2: Dựa ý tưởng đảm bảo môi trường sống tốt cho sinh hoạt, yếu tố khơng khí yếu tố cần xem xét, bên cạnh việc phịng tránh cháy nổ yếu tố vô quan trọng Trong hệ thống này, chúng em thực điều khiển thiết bị theo nờng độ khí Cacbonic mơi trường Việc đo nờng độ khí CO2 thực thơng qua thiết bị cảm biến khí/khói Với hệ thống trên, thiết bị phát khí CO2 lên cao thiết bị cảnh báo mở, ngược lại nờng độ CO2 khoảng cho phép thiết bị cảnh báo tắt Cửa mở nờng độ khí CO2 đạt ngưỡng q cho phép nhằm bớt khí độc, ngược lại cửa tự động đóng lại Nếu thiết bị cảm biến khí/khói đo nờng độ khí CO2 q mức gây cháy nổ thiết bị vịi phun trần kích hoạt để xử lý đám cháy, ngược lại đám cháy xử lý nờng độ khí CO2 giảm mức cho phép vịi phun trần tự động tắt Hệ thống giúp người điều hịa mơi trường xung quanh tốt hơn, tránh tác hại từ khí CO2 phịng tránh hỏa hoạn 41 Hình 14: Hệ thống phát khí CO j, Hệ thống kích hoạt camera thông minh: Bên cạnh vấn đề nêu, yếu tố an toàn cho điều quan trọng Nắm bắt điều đó, chúng em triển khai hệ thống camera thông minh nhằm giúp an ninh nhà nâng cao Hệ thống sử dụng thiết bị cảm biến chuyển động để nhận biết chuyển động người, qua nhận thấy có sự chuyển động camera bật để quan sát ghi lại hình ảnh Ngược lại, không nhận thấy sự chuyển động người mơi trường ngồi camera tạm thời tắt nhằm tiết kiệm điện cho nhà 42 Hình 15: Hệ thống kích hoạt camera thơng minh k, Hệ thống chống trộm: Tương tự vấn đề trên, chúng em triển khai hệ thống phát chuyển động nhằm tăng tính bảo mật an toàn cho nhà Hệ thống lắp đặt nơi quan trọng nhà cần tính bảo mật cao như: nơi chứa tài sản có giá trị, nơi để két sắt,… Nếu phát có sự chuyển động người lạ muốn đột nhập vào hệ thống kích hoạt cảnh báo, ngược lại cảnh báo tắt 43 Hình 16: Hệ thống phát chuyển động l, Hệ thống cảm biến đặt trời: Cuối cùng, chúng em đề cập đến hệ thống sinh hoạt thông minh vườn Yếu tố đặt sự thoải mái, thống mát mơi trường sinh hoạt ngồi vườn 44 Hình 17: Hệ thống cảm biến đặt ngồi trời Dựa cảm biến phát gió (có gió/khơng có gió) cảm biến chuyển động (có người/khơng có người vui chơi ngồi vườn) thì hệ thống quạt thực điều khiển tự động hoàn cảnh cụ thể Cụ thể, hệ thống phát chuyển động người vườn có gió, quạt không bật Ngược lại, hệ thống phát chuyển động người vườn mà vườn khơng có gió quạt bật Hệ thống giúp tạo sự thoải mái sinh hoạt, vui chơi làm việc không gian vườn 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO Slide giảng môn Mạng truyền thông https://www.slideshare.net/quynhmainguyen110698/bo-co-tm-hiu-v-Smart home https://vconnex.vn/thi-truong-smart-home-the-gioi-va-viet-nam-2022/ https://networkpro.vn/3-chuan-cong-nghe-wifi-khong-day-pho-bien-hiennay/ https://Smart homekit.vn/smart-home-2022/ https://sunhousegroupvn.blogspot.com/2016/06/lich-su-phat-trien-cuainternet-of.html https://laodong.vn/bat-dong-san/nhung-uu-diem-cua-nha-thong-minh-manha-truyen-thong-khong-co-970899.ldo https://www.thegioididong.com/hoi-dap/top-5-cam-bien-thong-dung-nhatcho-nha-thong-minh-ban-nen-1325353 https://www.vsmart.net/vi/nguyen-ly-hoat-dong-cua-nha-thong-minh 10 https://digicenter.com.vn/iot-la-gi/ 46 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 47 ... hay mạng không dây mạng sử dụng công nghệ cho phép hai hay nhiều thiết bị kết nối với sóng Mạng khơng dây sử dụng 13 sóng radio hay sóng cực ngắn để trì kênh truyền thông thiết bị truyền thông. .. nhà thông minh thông qua giọng nói nhờ vào cơng nghệ Z-Wave, Zigbee, Wifi, Do đó, cốt lõi hệ thống điều khiển nhà thông minh d, Kết nối Internet Internet đóng vai trị cầu nối thiết bị nhà thông. .. Được xây dựng dựa BLE Và tham gia vào mạng mesh thiết bị phải sử dụng chuẩn Bluetooth 4.0 trở lên c, Công nghệ không dây - Zigbee Giống Bluetooth, Zigbee loại truyền thông khoảng cách ngắn Zigbee