Giáo trình thực hành cơ sở và ứng dụng iots

60 HUỲNH HOÀNG HÀ TRƯƠNG QUANG PHÚC ĐỖ DUY TÂN GIÁO TRÌNH THỰC HÀNH CƠ SỞ VÀ ỨNG DỤNG IOTS NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH ThS HUỲNH HOÀNG HÀ ThS TRƯƠNG QUANG PHÚC TS ĐỖ DUY TÂN GIÁO TRÌNH THỰC HÀNH CƠ SỞ VÀ ỨNG DỤNG IOTS NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2022 LỜI MỞ ĐẦU Môn học Thực hành sở ứng dụng IoTs giảng dạy cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh nhiều năm qua Giáo trình Thực hành sở Ứng dụng IoTs biên soạn nhằm cung cấp tài liệu tham khảo quan trọng cho môn học Giáo trình gồm phần sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan hệ thống IoT Chương 2: Trình bày chuẩn truyền thơng khơng dây Bluetooth, WLAN/Wifi, Zigbee, Lora nhằm cung cấp kiến thức để liên kết thành phần hệ thống IoT Chương 3: Trình bày kiến thức ngơn ngữ thiết kế Website: HTML, CSS, Javascript, từ ứng dụng vào thiết kế giao diện Website để điều khiển thiết bị từ xa Chương 4: Trình bày bước thiết lập cấu hình Firebase, nhằm xây dựng Server IoT để liên kết phần cứng phần mềm hệ thống IoT lại với Mặc dù tác giả cố gắng biên soạn chỉnh sửa tránh thiếu sót, mong nhận đóng góp quý báu từ người đọc chuyên gia lĩnh vực IoT Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về: Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Email: hahh@hcmute.edu.vn; phuctq@hcmute.edu.vn; tandd@hcmute.edu.vn Nhóm tác giả MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG IoT 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 HỆ THỐNG IoT 1.3 THÀNH PHẦN CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG IoT 12 1.4 SO SÁNH IoT VÀ CÁC HỆ THỐNG KHÁC 17 1.5 VAI TRÒ CỦA IoT 18 1.6 CÁC KHÓ KHĂN VÀ THÁCH THỨC TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG IoT .21 1.7 BÀI TẬP THỰC HÀNH 22 CHƯƠNG CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 23 2.1 MỘT SỐ CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 23 2.1.1 Bluetooth 23 2.1.2 WLAN/WiFi 24 2.1.3 Zigbee 27 2.2 CHUẨN TRUYỀN THÔNG LORA 28 2.3 MODULE LORA E32-TTL-100 .29 2.4 CHƯƠNG TRÌNH GỬI NHẬN DỮ LIỆU QUA LORA 34 2.5 BÀI TẬP THỰC HÀNH 37 CHƯƠNG THIẾT KẾ WEBSITE 38 3.1 HTML CƠ BẢN 38 3.1.1 Cấu trúc HTML 38 3.1.2 Các thuộc tính thẻ .39 3.1.3 Các thẻ thông dụng 40 3.2 CSS CƠ BẢN 46 3.2.1 Cấu trúc CSS 46 3.2.2 Các cách liên kết CSS vào HTML 47 3.2.3 Một số thuộc tính thơng dụng CSS 49 3.2.4 Cấp độ tác động thuộc tính CSS vào thẻ 52 3.3 VÍ DỤ VỀ THIẾT KẾ BỐ CỤC WEBSITE 53 3.4 BOOTSTRAP 61 3.4.1 Bootstrap gì ? .61 3.4.2 Xây dựng bố cục Website bootstrap 62 3.5 JAVASCRIPT CƠ BẢN 67 3.5.1 Cấu trúc Javascript 67 3.5.2 Ngôn ngữ Javascript 68 3.5.3 Xử lý kiện Javascript .73 3.6 PHÂN TÍCH WEBSITE: “BẢNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ” 79 3.7 BÀI TẬP THỰC HÀNH 87 CHƯƠNG XÂY DỰNG SERVER FIREBASE .88 4.1 GIỚI THIỆU FIREBASE 88 4.2 CẤU HÌNH REALTIME DATABASE 88 4.3 LIÊN KẾT REALTIME DATABASE VÀ WEBSITE 92 4.3.1 Thêm thư viện Firebase vào Website .92 4.3.2 Hàm đọc/ghi liệu lên Website 94 4.3.3 Code mẫu “Website giao tiếp firebase” 95 4.4 LIÊN KẾT REALTIME DATABASE VÀ ESP32 97 4.4.1 Thêm thư viện Firebase vào ESP32 .97 4.4.2 Đoạn chương trình đọc/ghi liệu xuống ESP32 99 4.4.3 Code mẫu “Giao tiếp ESP32 với Firebase” 100 4.5 BÀI TẬP THỰC HÀNH 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 Chương GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG IoT 1.1 GIỚI THIỆU Hệ thống Internet vạn vật (IoT) hoạt động dựa việc kết nối giới thực với Internet, ví dụ cảm biến thu thập liệu thiết bị chấp hành làm việc dựa phần mềm điều khiển liệu thu thập Trên thực tế, hệ thống IoT cung cấp công nghệ phương tiện để đo lường, định lượng quản lý giới thực xung quanh Việc kết nối cảm biến cung cấp liệu giới vật lý, thu hẹp khoảng cách giới thực ảo/mạng (virtual/cyber) tồn kể từ tin học đời Trên thực tế, IoT giúp tăng cường đặc tính khả Internet cách thêm vào chiều khơng gian giới thực Với kết hợp IoT, Internet trở thành trang web bao gồm yếu tố người, thông tin, dịch vụ thứ, Internet tất thứ Các nhà phân tích dự đốn thiết bị kết nối trao đổi thông tin với tăng lên hàng trăm tỷ tương lai gần Kết nối giới thực không gian mạng dựa hạ tầng giao thức Internet cho phép nhiều kiểu tương tác kết hợp có tiềm tạo nhiều phương thức sử dụng, ứng dụng mơ hình kinh doanh Sự phát triển IoT hứa hẹn tác động sâu sắc không đến ngành cơng nghiệp mà cịn đến nhiều khía cạnh sống hàng ngày 1.2 HỆ THỐNG IoT Hình 1.1 minh họa thành phần chức hệ thống IoT Phía tượng trưng cho số ứng dụng tiêu biểu IoT, bao gồm ứng dụng văn phịng thơng minh, tơ tự hành, giao thông vận tải, sản xuất, nông nghiệp, nhà ở, tịa nhà thơng minh thành phố thơng minh Phần phía minh họa số thành phần hệ thống IoT cảm biến, thành phần kết nối thực thi Trong đó, cảm biến thành phần kết nối thiết kế để liên kết trực tiếp với Internet, giao tiếp với ứng dụng dịch vụ đám mây (cloud services) Ví dụ có nhiều loại thiết bị thông minh khác camera an ninh, cảm biến báo cháy, điều chỉnh nhiệt độ đồng hồ đo điện Hình 1.1 Hệ thống IoT[1] Các cảm biến kết nối với thành phần lại hệ thống IoT Internet dựa vào gateway Gateway node thường thiết bị mạnh kết nối với cảm biến thu thập liệu thông qua chuẩn truyền thông không dây, chẳng hạn Zigbee, biến thể mạng 802.5.14, Bluetooth WiFi công suất thấp Các gateway thường cung cấp kết nối băng thông rộng xử lý liệu cảm biến biên (edge) đồng thời hỗ trợ chuyển đổi linh hoạt giao thức, lưu trữ lọc liệu, xử lý phân tích kiện thay đổi dựa vào liệu thu thập Trong thực tế, hàng tỷ điện thoại thông minh sử dụng đóng vai trị quan trọng hệ thống IoT Chúng hoạt động cảm biến, gateway kết nối thông minh hỗ trợ tương tác với người dùng thiết bị khác Bên điện thoại thơng minh có nhiều loại cảm biến tích hợp - chẳng hạn vân tay, áp suất, ánh sáng, cảm biến Hall, cảm biến mưa, nhiệt độ, địa từ, gia tốc kế, quay hồi chuyển, tiệm cận hệ thống định vị toàn cầu (GPS) - sử dụng để xác định vị trí trạng thái thiết bị Các cảm biến quản lý chương trình phần mềm kết nối với Internet Nhiều ứng dụng thực tế tăng cường (AR) thực cách kết hợp ứng dụng với liệu từ cảm biến khác điện thoại, chẳng hạn máy ảnh micrô Điện thoại thông minh máy tính bảng hoạt động dạng gateway IoT giúp cho thiết bị khác mạng cục truy cập được, chẳng hạn vô số cảm biến hỗ trợ WiFi Bluetooth ghép nối với thiết bị theo dõi thể dục, đồng hồ thông minh, ô tô thiết bị tự động hóa gia đình Trong Hình 1.1, điện thoại thông minh thể vừa cảm biến kết nối vừa thiết bị tương tác với người dùng Điện thoại thơng minh nhận đầu vào từ người dùng trực quan hóa đầu ứng dụng, cung cấp giao diện người dùng để thu thập kiểm soát liệu đầu vào, trực quan hóa liệu IoT mà người dùng cần sử dụng cục Internet Các đầu cuối cảm biến IoT nhúng vào sở hạ tầng cơng nghệ thơng tin thiết bị có, chẳng hạn máy tính cá nhân Việc thêm cảm biến giao diện IoT vào thiết bị công nghệ thơng tin có, chẳng hạn PC máy tính xách tay, cung cấp phạm vi phủ sóng cho người dùng phạm vi gần giảm chi phí hệ thống cách tận dụng sức mạnh, khả kết nối xử lý máy chủ, tài ngun lưu trữ Ngồi ra, PC hoạt động gateway điểm cuối giúp người dùng (UX) trải nghiệm phong phú hệ thống IoT Ngoài cảm biến thiết bị thiết kế để sử dụng hệ thống IoT, có nhiều cảm biến thu thập liệu nhiều dạng khác hệ thống giới thực tự động hóa cơng nghiệp, hệ thống lượng, y tế, hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) hệ thống giám sát điều khiển (SCADA) Ví dụ, hệ thống BMS chứa hàng nghìn cảm biến, chẳng hạn nhiệt độ chuyển động phòng tòa nhà văn phòng Hầu hết, chúng bị khóa định dạng riêng mang tính độc quyền, hệ thống BMS SCADA ngày giao tiếp với Internet phân cấp cao hệ thống nhằm hạn chế việc phải chia sẻ bị điều khiển từ xa Dữ liệu từ hệ thống tích hợp vào hệ thống IoT cho mục đích tổng hợp - Bước 8: Ta chọn “United States(us-central1)”, bấm Next - Bước 9: Ta chọn “Start in locked mode” bấm “Enable” - Bước 10: Đây giao diện Realtime Database Ta tiến hành bấm chọn tab “Rules” để cấu hình lại quyền read/write 91 - Bước 11: Ta sửa quyền read write thành “true” (như hình trên) Sau đó, ta tiến hành bấm “Publish” (phải bấm hệ thống cập nhật) - Bước 12: Nếu kết hiển thị hình sau bấm publish trình cấu hình RealTime Database thành công 4.3 LIÊN KẾT REALTIME DATABASE VÀ WEBSITE 4.3.1 Thêm thư viện Firebase vào Website - Bước 1: Bấm vào tab “Project Overview” (bên trái) (Chú ý: Sau bấm vào phải tên Project thực “khoahocIoT” 92 - Bước 2: Để gắn kết firebase vào website, bấm chọn biểu tượng website , giao diện sau: - Bước 3: Điền nickname (tên bất kỳ, chữ khơng dấu, khơng có khoảng cách) Sau đó, bấm nút “Register app” 93 - Bước 4: Firebase tạo thông tin cần thiết Ta cần thêm thư viện Firebase vào file index.html Chú ý, thư viện phải để trình tự để cuối file html, trước thẻ đóng sau: - Bước 5: Ta tiến hành copy đoạn chương trình cấu hình firebase nằm thẻ “copy nội dung đây” đưa vào phần file javascript, ví dụ đặt tên file là: myjavascript.js 4.3.2 Hàm đọc/ghi liệu lên Website - Hàm ghi liệu lên Realtime Database: firebase.database().ref(“/dieukhien/”).update({ “button”: “OFF” }) * Giải thích: Hàm gửi liệu button: “OFF”, lên mục / dieukhien Realtime Database * Kết hiển thị Firebase: 94 - Hàm đọc liệu từ Realtime Database về: firebase.database().ref(“/cambien/nhietdo”) on(“value”,function(snapshot){ var nd = snapshot.val(); } * Giải thích: Hàm đọc nhiệt độ từ mục /cambien/nhietdo Realtime Database lưu kết vào biến nd * Kết hiển thị Firebase: (nd đọc 23) 4.3.3 Code mẫu «Website giao tiếp Firebase» - Thiết kế giao diện Website điều khiển bóng đèn, cập nhật trạng thái điều khiển lên Realtime Database đọc giá trị cảm biến nhiệt độ từ Firebase hiển thị lên Website Ta cần tạo thủ công Realtime Database trước với trường cambien/nhietdo:23 Cịn trạng thái nút nhấn cập nhật tự động lên Firebase, ta bấm vào button ON/OFF Website 95 Giao diện Website thiết kế: - Nội dung file index.html: Khóa học IoT > h3> BẢNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN & ĐỌC CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ.