ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐẮC THỊNH THIẾT KẾ IoT GATEWAY SỬ DỤNG MÁY TÍNH NHÚNG CHO LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH TRONG HỘ GIA ĐÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà N[.]
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐẮC THỊNH THIẾT KẾ IoT GATEWAY SỬ DỤNG MÁY TÍNH NHÚNG CHO LƯỚI ĐIỆN THƠNG MINH TRONG HỘ GIA ĐÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐẮC THỊNH THIẾT KẾ IoT GATEWAY SỬ DỤNG MÁY TÍNH NHÚNG CHO LƯỚI ĐIỆN THƠNG MINH TRONG HỘ GIA ĐÌNH Chun ngành : Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 852 02 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Ngơ Đình Thanh Đà Nẵng – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Đắc Thịnh THIẾT KẾ IoT GATEWAY SỬ DỤNG MÁY TÍNH NHÚNG CHO LƯỚI ĐIỆN THƠNG MINH TRONG HỘ GIA ĐÌNH Ngày nay, cách mạng công nghiệp 4.0 lan tỏa sâu vào đời sống xã hội, gắn liền với phát triển vũ bão giải pháp Internet of Things (IoT) lĩnh vực công nghiệp đời sống Đây viễn cảnh vật cung cấp định danh khả tự động truyền tải liệu qua mạng lưới mà không cần tương tác người với người người với máy tính Nhờ IoT mà tất thiết bị điện thông minh nâng lên tầm cao mới, thông qua việc điều khiển giám sát dễ dàng trực quan thiết bị thông minh qua internet Tuy nhiên thiết bị điện thông minh hộ gia đình sử dụng nhiều giao thức truyền thơng riêng biệt sóng vơ tuyến, MQTT, Zigbee, Bluetooth hãng sản xuất khác nhau, tạo khoảng cách lớn việc giao tiếp thiết bị với Từ đó, giải pháp đề thiết kế IoT gateway cho phép kết nối nhiều giao thức khác thiết bị điện thông minh hộ gia đình Từ khóa: Cách mạng cơng nghiệp 4.0, IoT gateway, thiết bị điện thông minh, giao thức truyền thơng, sóng vơ tuyến, MQTT, Zigbee, Bluetooth, giao tiếp thiết bị với nhau, giải pháp IoT DESIGN GATEWAY USING EMBOSSING MACHINE FOR SMART ELECTRIC NETWORK IN THE HOUSE Nowadays, Industry 4.0 has spread and deepened into social life, associated with the stormy development of Internet of Things’s solutions in all areas of industry and life This is a scenario in which everything is provided with identifiers and the ability to automatically transmit data across a network without the need for human interaction with people or people with computers With IoT, all smart electrical devices are raised to new heights, through easy and intuitive control and monitoring by smart devices over the internet However, smart electrical appliances in households use a lot of separate communication protocols such as radio frequency, MQTT, Zigbee, Bluetooth of different manufacturers, creating a huge gap in communicating devices with each other Since then, the proposed solution is to design a IoT gateway to allow connections between many different protocols of smart electrical devices in the household Keywords: Industry 4.0, IoT gateway, smart electrical devices, communication protocols, radio frequency, MQTT, Zigbee, Bluetooth, communicating devices, solution MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu .2 Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN THƠNG MINH HỘ GIA ĐÌNH 1.1 Lưới điện thơng minh hộ gia đình 1.2 Internet Of Things 1.2.1 Định nghĩa 1.2.2 Khái niệm 1.2.3 Đặc tính IoT [1], [2] 1.2.4 Yêu cầu hệ thống IoT 1.3 Công tơ điện tử CHƯƠNG THIẾT KẾ IoT GATEWAY 12 2.1 Thiết kế phần cứng 12 2.1.1 Module RF 12 2.1.2 Module Zigbee 12 2.1.3 Module MQTT 13 2.1.4 Máy tính nhúng 13 2.1.5 Ưu điểm máy tính nhúng 14 2.1.6 Giới thiệu Raspberry Pi .18 2.1.7 Mơ hình tổng quan thiết kế phần cứng hệ thống 21 2.2 Thiết kế phần mềm 22 2.2.1 Nền tảng Linux 22 2.2.2 Hệ điều hành Raspbian .23 2.2.3 Mã nguồn mở OpenHAB Framework 25 2.2.4 Xây dựng chương trình nến OpenHAB Framework 27 CHƯƠNG TÍCH HỢP CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÁC NHAU .29 3.1 Zigbee 29 3.1.1 Thuật toán mã hoá giải mã giao thức ZigBee 33 3.1.2 Kiểm soát truy cập 39 3.1.3 Bảo mật ZigBee 40 3.2 MQTT 42 3.3 RF-Mesh 44 3.4 Giải pháp tích hợp chuẩn truyền thơng khác 45 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47 4.1 Kiến trúc IoT gateway 47 4.2 Các tính IoT gateway 51 4.3 Hướng phát triển đề tài 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Bảng mã OBIS công tơ điện tử 1.2 Bảng mã OBIS lỗi công tơ điện tử 11 2.1 So sánh máy tính nhúng vi điều khiển 16 2.2 So sánh thơng số máy tính nhúng thơng dụng 17 2.3 Chức 40 pinout Raspberry Pi 20 2.4 Trạng thái LED Raspberry Pi 20 3.1 Cấu trúc khung truyền liệu giao thức Zigbee 33 3.2 Mức bảo mật khoá bảo mật 38 3.3 Cấu trúc khung truyền liệu giao thức Zigbee 43 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Lưới điện thơng minh 1.2 Sơ đồ khối hệ thống 2.1 Raspberry Pi Model B 19 2.2 Mơ hình tổng quan thiết kế phần cứng hệ thống 21 2.3 Linux 23 2.4 Hệ điều hành Raspbian 23 2.5 Giao diện LXDE hệ điều hành Raspbian 24 2.6 Đa dạng giao thức IoT 25 2.7 OpenHAB 26 2.8 Cấu trúc OpenHAB 26 2.9 Eclipse 27 3.1 Mơ hình OSI giao thức MQTT 29 3.2 Mạng Zigbee hình 31 3.3 Mạng Zigbee hình lưới 32 3.4 Mạng Zigbee hình 32 3.5 Kết hợp trạng thái trình mã hố AES 34 3.6 Phép q trình mã hố AES 35 3.7 Dịch chuyển hàng q trình mã hoá AES 35 3.8 Dịch chuyển cột trình mã hố AES 36 3.9 Kết hợp khố q trình mã hố AES 36 3.10 Cấu trúc khung bảo mật liệu giao thức Zigbee 37 3.11 Cấu trúc khoá bảo mật liệu giao thức Zigbee 39 3.12 Chế độ bảo mật dân cư 41 3.13 Chế độ bảo mật thương mại 41 3.14 Mơ hình giao thức MQTT 42 3.15 Mơ hình giao thức RF-Mesh 44 3.16 Cấu trúc Eventbus openHAB 46 4.1 Các lớp IoT gateway 48 4.2 Công tơ điện tử EVN CPC module đọc thông số, gửi RF 49 4.3 Module RF Gateway 49 Số hiệu hình Tên hình Trang 4.4 Module đo lường điều khiển giao thức Zigbee 50 4.5 Module Zigbee Gateway 50 4.6 Module giao thức MQTT 51 4.7 Độ thị phụ tải ngày 25 tháng 11 năm 2018 52 4.8 Đồ thị phụ tải ngày 26 tháng 11 năm 2018 52 4.9 Giao diện giám sát điện website 53 4.10 Giao diện giám sát lượng tiêu thụ website 54 4.11 Giao diện giám sát điện app mobile 55 4.12 Giao diện giám sát lượng tiêu thụ app mobile 56 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, cách mạng công nghiệp 4.0 lan tỏa sâu vào đời sống xã hội, gắn liền với phát triển vũ bão giải pháp Internet of Things (IoT) lĩnh vực công nghiệp đời sống IoT thuật ngữ dùng để đối tượng nhận biết tồn chúng kiến trúc mang tính kết nối Đây viễn cảnh vật, vật người cung cấp định danh khả tự động truyền tải liệu qua mạng lưới mà không cần tương tác người với người người với máy tính Nhờ IoT mà tất thiết bị điện sử dụng hộ, tòa nhà nâng lên tầm cao mới, thông qua việc điều khiển giám sát dễ dàng trực quan thiết bị thông minh qua internet, IoT mang đến cho người sử dụng tiện nghi dễ dàng thời đại số Trong bối cảnh đó, Điện lực Việt Nam (EVN) xây dựng đề án phát triển Lưới điện thông minh EVN giai đoạn 2017 đến 2022 trang bị sở hạ tầng công nghệ thông tin cho lưới điện phân phối, điển hình thay cơng tơ công tơ điện tử Đồng thời triển khai ứng dụng Lưới điện thông minh nâng cao khả dự báo nhu cầu phụ tải điện khách hàng lập kế hoạch cung cấp điện, giảm tổn thất điện Từ tạo điều kiện để khách hàng chủ động biết quản lý thông tin chi tiết sử dụng điện chi phí mua điện Hiện thành phố lớn phát triển nước ta Hà Nội, TP Hồ Chí Minh triển khai kết nối đến công tơ tổng hộ tiêu thụ điện quy mô nhỏ, nhiên thiết bị điện thông minh hộ gia đình chưa kết nối với hệ thống lưới điện thơng minh Vấn đề đặt có giải pháp để cơng tơ điện tử giao tiếp với thiết bị thông minh, hệ thống quản lý lượng hộ gia đình, tịa nhà, nhà máy, resort nhằm tạo hệ thống lưới điện thơng minh hồn chỉnh Tuy nhiên thiết bị điện thơng minh hộ gia đình sử dụng nhiều giao thức truyền thông riêng biệt hãng sản xuất khác nhau, tạo khoảng cách lớn việc giao tiếp thiết bị với Câu hỏi đặt có chuẩn truyền thơng chung kết nối cho giao thức? Hiện giới chưa có cơng trình nghiên cứu cơng bố cho giải pháp Giải pháp thực chỉnh sửa lại phần mềm công tơ điện tử để kết nối với thiết bị tiêu thụ điện hộ gia đình Giải pháp không mềm dẻo để thực cho tất hộ gia đình Hơn nữa, có nhiều hãng cung cấp công tơ điện tử với chuẩn giao thức khác Từ đó, giải pháp đề thiết kế gateway cho phép kết nối nhiều 17 Hiện có nhiều phần cứng trở thành Gateway Intel Galileo, Orange Pi… Raspberry Pi Raspberry Foundation IntelGalileo chuyên dùng cho phát triển phần mềm, ứng dụng nhiều cho việc sử dụng cần nhớ lượng lớn, sử dụng xử lý Quark SoC x1000 40MHz Tuy nhiên Raspberry Pi cài đặt hệ điều hành riêng , xử lý Broadcom BCM2837 phiên ép xung lên đến 1.2Ghz xử lý video, hình ảnh, âm thanh… ngồi Raspberry có cổng GPIO, SPI, I2C… Bảng 2.2 So sánh thông số máy tính nhúng thơng dụng Raspberry Pi Model B Raspberry Pi Zero Intel Galileo Ngày mắt 29/2/2016 25/11/2015 2013 SoC BCM2837 BCM2835 Intel Quark X1000 – single core CPU Quad Cortex A53 1.2GHz ARM11 1GHz Intel Pentium Class 400MHz GPU 400MHz VideoCore IV 250MHz VideoCore IV Không RAM 1GB SDRAM 512MB SDRAM 256MB SDRAM Storage Micro-SD Micro-SD Micro-SD Ethernet 10/100 Mbps Không 10/100 Không Không Máy Wireless 802.11n Bluetooth 4.0 Video Output HDMI/Composite HDMI/Composite Không Audio Output HDMI/Headphone HDMI Không GPIO 40 40 20 USB port Micro USB $45 $24 $85 Giá Hình ảnh 18 Các đặc điểm Raspberry Pi bao gồm: - Máy tính nhúng hỗ trợ hệ điều hành - Kích thước nhỏ - Lập trình nhiều ngơn ngữ - Hỗ trợ nhiều cho học tập nghiên cứu - Cộng đồng phát triển lớn mạnh Từ đặc điểm trên, ta lựa chọn Raspberry Pi làm phần cứng để thiết kế IoT Gateway đề tài 2.1.6 Giới thiệu Raspberry Pi Raspberry Pi máy tính mini, chạy hệ điều hành Linux số hệ điều hành khác mắt vào tháng năm 2012 Ban đầu Raspberry Pi phát triển dựa ý tưởng tiến sĩ Eben Upton đại học Cambridge, muốn tạo máy tính giá rẻ để học sinh dễ dàng tiếp cận khám phá giới tin học Dự định khiêm tốn ông đến cuối đời, bán tổng cộng 1000 board mạch cho trường học Chiếc máy tính có kích cỡ thẻ tín dụng, với đầy đủ kết nối tuỳ dung lượng RAM mà người mua lựa chọn Trong vấn đây, người đứng đầu quỹ David Braben cho biết có giá rẻ kích cỡ nhỏ gọn, máy tính họ hồn tồn chơi game Quake III Arena, hay chơi video độ phân giải Full-HD Điều đặc biệt Raspberry Pi tiêu tốn điện cực thấp Raspberry Pi chạy với viên pin tiểu nguồn điện 5V Đây có lẽ giải pháp hợp lý cho nhu cầu online 24/24 mà không muốn tiêu tốn nhiều điện hệ thống VPN nhỏ gọn Raspberry Pi ban đầu dựa hệ thống vi mạch(SoC)BCM2835 Broadcom, bao gồm vi xử lý ARM1176JZF-S 700 MHz, VideoCore IV GPU, ban đầu xuất xưởng với 256 MB RAM Có socket Secure Digital (SD) (model A B) MicroSD (model A + B +) dùng làm thiết bị khởi động lưu trữ liên tục Tháng năm 2016, Raspberry Pi Foundation cho mắt Raspberry Pi ModelB phiên Raspberry Pi tính tới thời điểm Sử dụng vi mạch BCM2837 Broadcom, CPU 1.2 GHz 64/32-bit quad-core ARM Cortex-A53 1GB RAM Pi3 hoạt động máy tính thu nhỏ với cổng USB HDMI để kết nối với bàn phím hình Tích hợp chip nhân đồ họa Dual core Videocore IV đủ mạnh để chơi số game phổ thơng,và phát video chuẩn HD Trên bo mạch cịn có port CSI camera để gắn camera Pi kết nối với Raspberry DSI display để kết nối với hình cảm ứng Raspberry touchscreen display.Đặc biệt cơng suất hoạt động máy tính thấp, khoảng 1,5W mức trung bình để tĩnh tối đa lên khoảng 6W dùng với phần mềm nặng, 19 nhiên thấp sử dụng máy tính với nhu cầu hoạt động 24/24 mà không tốn nhiều điện tiêu thụ Hình 2.1 Raspberry Pi Model B Raspberry Pi có 40 chân đầu ra, chân kết nỗi với kit phát triễn hỗ trợ khác, sử dụng để giao tiếp UART, I2C… Trên bo có cổng Ethernet (RJ45) sử dụng để kết nối mạng LAN, sử dụng cổng để giao tiếp với Raspberry Pi, cổng USB 2.0 Cổng HDMI có tích hợp bo mạch để xuất hình ảnh hình hay tivi có hỗ trợ cổng Ngồi cịn hỗ trợ 802.11n Wireless LAN Bluetooth 4.1 Raspberry Pi khơng có tích hợp ổ cứng nên dùng thẻ SD card để lưu trữ liệu, toàn hệ điều hành chạy thẻ SD nên tối thiểu phải dùng thẻ nhớ 4GB Để đảm bảo tốc độ ổn đinh dùng thẻ nhớ từ 16GB trở lên Raspberry Pi có nhiều ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp tùy vào phiên hệ điều hành sử dụng như: - Trong lĩnh vực giải trí đa phương tiện: Internet TV, ổ đĩa lưu dự phịng mạng nội bộ, thích hợp làm máy chủ web - Lĩnh vực điều khiển, truyền thông: kết hợp với webcam làm hệ thống phát chuyển động, nhận diện khuôn mặt, điều khiển robot, nhận gửi tin nhắn GSM với USB 3G, điều khiển ON/OFF thiết bị điện Với tốc độ xử lý lên tới 1.2GHz tính trội trên, hồn tồn sử dụng Raspberry Pi để làm IoT Gateway 20 Bảng 2.3 Chức 40 pinout Raspberry Pi Trên bo mạch Raspberry Pi có đèn LED để biểu thị trạng thái hoạt động bo mạch Bảng 2.4 Trạng thái LED Raspberry Pi Tên LED Màu Trạng thái biểu PWR Đỏ ACT Xanh Sáng khơng có SD card, nháy truy cập SD card Ethernet phải Xanh Sáng có kết nối Ethernet trái Vàng Sáng kết nối 100Mbps Sáng nguồn đảm bảo, nháy bị sụt áp 21 Module RF Công tơ điện tử EMEC IOT Gateway Công tơ điện tử 2.1.7 Mơ hình tổng quan thiết kế phần cứng hệ thống Module RF Module Zigbee Thiết bị thông minh hộ gia đình Máy tính nhúng Module MQTT Module Zigbee Hình 2.2 Mơ hình tổng quan thiết kế phần cứng hệ thống 22 - Đề tài lựa chọn công tơ điện tử EVN CPC loại pha nhiều biểu giá thông dụng trang bị cho lưới điện phân phối, công tơ sử dụng giao thức truyền thông RF-Mesh với tần số độc quyền nhà sản xuất, khơng có thuật tốn để mã hố giải mã số liệu phần cứng tương thích để giao tiếp với cơng tơ qua sóng RF bí mật cơng nghệ nên giải pháp thiết kế module đọc liệu từ công tơ thông qua cổng Serial, IC MAX232 xử lý Arduino Promini Về vấn đề thuật toán giải mã số liệu giải việc so sánh số liệu thực tế hiển thị công tơ số liệu thô nhận đọc phần mềm (terminal) từ dự đốn lọc thơng số cần lấy, sau dùng vi điều khiển xử lý số liệu thô thành số liệu cần thiết gửi thông qua module NRF24L01 (tần số 2.4GHz thông dụng) đến module RF Gateway Tại liệu nhận đưa vào Gateway thông qua module UART cáp kết nối USB - Module Zigbee bao gồm nguồn chuyển đổi điện 220VAC thành 3.3VDC, rơle điều khiển đóng cắt phụ tải, module cảm biến đo dịng ACS712, module thu phát DRF 1605H với IC CC2530, IC sử dụng chuẩn truyền sóng Zigbee 2,4GHz với IC khuếch đại module, Arduino Promini dùng để đọc tín hiệu Analog từ cảm biến đo dịng ACS712 điều khiển rơle Sau liệu truyền qua Zigbee thông qua module DRF 1605H tới module Zigbee Gateway Tại liệu nhận đưa vào Gateway thông qua module UART cáp kết nối USB - Module MQTT gồm nguồn chuyển đổi điện 220VAC thành 5VDC, rơle điều khiển đóng cắt phụ tải, IC điều khiển ESP8266 module ESP-12E Các thiết bị subcrible topic “command” public liệu lên topic “status” Còn server làm nhiệm vụ ngược lại, gửi thao tác điều khiển xuống topic “command” theo dõi topic “status” để biết trạng thái thiết bị Đối với thiết bị thông minh sử dụng giao thức MQTT truyền liệu sóng wifi nên Ras pi3 tích hợp sẵn mặt vật lý, Gateway khơng cần phải có thêm module 2.2 Thiết kế phần mềm 2.2.1 Nền tảng Linux Linux nhân hệ điều hành, đời năm 1991 Linus Torvalds Các phần mềm, ứng dụng, hệ thống soạn thảo, biên dịch, hệ thống lập trình, quản trị sở liệu… thêm vào phần nhân để tạo thành hệ điều hành hoàn chỉnh Nhiều người nhầm lẫn từ Linux hệ điều hành, tên thường sử dụng để miêu tả tổng thể hệ điều hành tương tự Unix (còn biết đến tên GNU/Linux) tạo việc đóng gói nhân Linux với thư viện công cụ GNU, phân phối Linux (các hệ điều hành chạy nhân Linux) Tuy nhiên Linux hay hạt nhân Linux giống tảng, kết nối tạo 23 môi trường cho phần mềm hoạt động Hiện số lượng phần cứng hỗ trợ Linux khiêm tốn so với Windows, trình điều khiển thiết bị tương thích với Windows nhiều Về phần mềm, dĩ nhiên Linux so sánh với tảng Windows hay MacOS, nhiên lại xây dựng phát triển mã nguồn mở, cho phép người dùng tiếp cận hoàn tồn miễn phí Hình 2.3 Linux Linux hoạt động hai mơi trường chính: Desktop Terminal sử dụng command line Trước Linux hoạt động Terminal gây khó khăn cho người sử dụng phải nhập dòng lệnh, gần Linux ý phát triển giao diện đồ họa đẹp mắt không Windows hay MAC Trên Raspberry Pi cài đặt sẵn giao diện LXDE (Light X11 Desktop Environment) môi trường đồ họa không tốn nhiều tài nguyên, khơng đẹp tảng lớn khác vừa đủ mức thân thiện cho người sử dụng Tuy nhiên để sử dụng cài đặt chương trình phần mềm, phải dùng console để nhập lệnh cài đặt Hệ điều hành phần mềm hệ thống làm cầu nối người dùng máy tính, giúp quản lý tài ngun phần cứng, cung cấp giao diện, tiện ích cho người dùng giao tiếp, sử dụng tài nguyên Hiện tại, Raspberry Pi sử dụng nhân linux cài đặt nhiều hệ điều hành, số hệ điều hành phổ biến cộng đồng sử dụng nhiều cho đề tài học tập nghiên cứu 2.2.2 Hệ điều hành Raspbian Raspbian: hệ điều hành phổ biến cho Raspberry, hãng Raspberry Pi Foundation cung cấp Khá phù hợp cho người người bắt đầu làm quen với máy tính nhúng hãng Hình 2.4 Hệ điều hành Raspbian 24 Ngồi cịn có số hệ điều hành thơng dụng cài đặt máy tính nhúng Raspberry Pi như: - Ubuntu: tương tự Raspbian, nhiên Ubuntu có giao diện đẹp nhiều so với Raspbian, so sánh với Windows - Windows 10 IoT Core: phát triển Microsoft, nhiên hệ điều hành khơng có giao diện đồ họa, mục đích Microsoft tung hệ điều hành để phát triển ứng dụng IoT Tuy nhiên cịn xa lạ với nhiều người sử dụng Linux trước - RISC OS: hệ điều hành nhóm phát triển ARM thiết kế riêng Đây phiên Linux, người dùng cần phải tìm hiểu rõ cấu trúc câu lệnh đặc trưng cho hệ điều hành - Occidentalis: Đây phiên hệ điều hành Raspbian hỗ trợ phần cứng chuyên dùng cho nghành điện tử như: Cảm biến, phím bấm, LED, servo, stepper,…Tuy nhiên hệ điều hành khơng tương thích với phiên Raspberry Pi dùng RAM Hynix Trong đề tài sử dụng hệ điều hành Raspbian để cài đặt chương trình phần mềm Có thể sử dụng Raspbian Lite, Raspbian bỏ giao diện hệ điều hành, sử dụng Terminal để hoạt động Hình 2.5 Giao diện LXDE hệ điều hành Raspbian Để cài đặt hệ điều hành ta cần file img hệ điều hành lưu vào thẻ nhớ SD, nhà sản xuất khuyên dùng thẻ nhớ từ 4GB trở lên, để hiệu suất hệ thống ổn định 25 Sau gắn trực tiếp thẻ nhớ vào Raspberry cắm nguồn vào để hoàn tất cài đặt hệ điều hành 2.2.3 Mã nguồn mở OpenHAB Framework Internet of Things hứa hẹn cung cấp hội kinh doanh to lớn tương lai gần Do nhiều cơng ty cố gắng để đưa giải pháp cho thị trường này, dẫn đến loạt giải pháp tối ưu cho khách hàng sử dụng Nhưng với đó, tất giải pháp phải đối mặt với vấn đề phổ biến: lâu dài, khách hang bắt đầu khơng chấp nhận tính độc lập, hay tính riêng lẻ nhà cung cấp cho thiết bị hỗ trợ Thay vào đó, họ u cầu tích hợp với thiết bị đến từ nhà cung cấp khác, giá trị giải pháp thiết bị mang lại mang đặc điểm riêng biệt, kết hợp nhiều sản phẩm đến từ nhiều nhà cung cấp giá trị sử dụng thực hệ thống thông minh tổng hợp tạo môi trường to lớn nhiều so với tính riêng lẻ hệ thống riêng Tuy nhiên bên sản xuất thiết bị khó để sản phẩm họ kết hợp được, làm lượng khách hàng họ giảm phải chia sẻ khách hàng với hãng khác Hình 2.6 Đa dạng giao thức IoT Như làm để ta tạo môi trường để mang đặc điểm riêng lẻ kết hợp với OpenHAB Framework có mã nguồn mở cho phép nhà phát triển tích hợp thêm nhiều chuẩn giao thức truyền thông, dựa tảng kiến trúc evenbus openHAB, giải pháp để giải vấn đề Mỗi giao thức truyền thơng có cách tiếp cận khác nhau, muốn cho hệ thống hỗ trợ để bên giao tiếp với nhau, tất có quyền tồn giữ tính đặc biệt riêng Phần mềm cho phép tạo mơi trường chung làm cho tương tác dễ dàng hơn, bỏ qua ranh giới hệ thống giao thức truyền thơng 26 OpenHAB chạy nhiều tảng Windows, MacOS, Linux Được viết hoàn tồn ngơn ngữ Java mã nguồn mở dựa Eclipse Framework Sử dụng Apache Karaf với Equinox để tạo nên Open Services Gateway initiative(OSGi), môi trường để chạy ứng dụng, tiện ích, đồng thời tích hợp HTTP server Jetty để mơ tả hoạt động trình duyệt OpenHAB phần mềm tích hợp cao, có nghĩa tích hợp tiện ích (add-on) khác để chạy tảng (runtime) Các add-ons lấy từ Eclipse Framework từ package từ cộng đồng phát triển xây dựng nên Hình 2.7 OpenHAB Framework thư viện lớp xây dựng hoàn chỉnh, khung để phát triển phần mềm ứng dụng Có thể ví framework tập “vật liệu” lĩnh vực cho người lập trình viên, thay họ phải nhiều thời gian để tự thiết kế trước dùng Do vậy, người lập trình viên cần tìm hiểu khai thác vật liệu thực gắn kết chúng lại với nhau, tạo sản phẩm Hình 2.8 Cấu trúc OpenHAB 27 OpenHAB framework để thực khai thác, sở openHAB dựa tảng Eclipse Framework Hình 2.9 Eclipse Eclipse cộng đồng cho cá nhân tổ chức muốn hợp tác phần mềm mã nguồn mở kết hợp với thương mại Các dự án tập trung vào việc xây dựng tảng phát triển bao gồm cơng cụ lập trình, quản lý phần mềm, thiết lập phần cứng Eclipse Foundation tổ chức phi lợi nhuận, hỗ trợ thành viên cộng đồng Từ giúp phát triển cộng đồng mã nguồn mở dịch vụ bổ sung Eclipse Foundation ban đầu IBM tạo vào tháng 11 năm 2001 hỗ trợ tập đoàn cung cấp phần mềm Tổ chức Eclipse thành lập vào tháng năm 2004 với tư cách công ty phi lợi nhuận độc lập, quản lý phát triển cộng đồng Eclipse Đến nay, cộng đồng Eclipse lớn mạnh, bao gồm cá nhân tổ chức phát triển phần mềm khác Eclipse Foundation phát triển cung cấp cho cộng đồng theo dịch vụ: sở hạ tầng công nghệ thông tin, quản lý IP, tảng lập trình mơi trường đa tảng Nhờ vào cộng đồng tâm huyết nhiệt tình vậy, framework Eclipse trở nên hữu dụng cho nhiều ứng dụng khác OpenHAB dựa framework để tạo nên sở cho cho tảng họ, có dịch vụ đa tảng thiết lập phần cứng 2.2.4 Xây dựng chương trình nến OpenHAB Framework a Item Trong openHAB có tách biệt nghiêm ngặt giới vật lý ứng dụng, xây dựng xung quanh khái niệm " Item" gọi lớp ảo Các mục đại diện cho chức ứng dụng sử dụng (chủ yếu giao diện người dùng logic tự động hóa) Các mục có trạng thái sử dụng thông qua kiện Thiết lập b Rule Được sử dụng để tự động hóa quy trình: Mỗi quy tắc kích hoạt, 28 gọi tập lệnh thực loại tác vụ nào, ví dụ: bật đèn cách sửa đổi mục bạn, thực phép tính tốn học, bắt đầu tính vv… OpenHAB có cơng cụ quy tắc tích hợp cao, nhẹ mạnh mẽ c Sitemap Trong OpenHAB, tập hợp “vật” đại diện cho đối tượng vật lý logic thiết lập tự động hóa nhà người dùng Sơ đồ trang web sử dụng để chọn chuẩn bị yếu tố để soạn trình bày hướng người dùng thiết lập cho Giao diện người dùng (UI) khác nhau, bao gồm BasicUI, ứng dụng openHAB cho Android ứng dụng khác d UI OpenHAB cung cấp nhiều loại Giao diện người dùng từ đến nâng cao tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng Như chương đưa cách nhìn tổng quan ngơn ngữ Linux, máy tính nhúng, hệ điều hành Raspbian lý chọn Raspberry Pi 3, OpenHAB Framework làm công cụ thiết kế IoT Gateway đề tài luận văn Phần chương trình bày tích hợp giao thức truyền thơng cho phép kết nối tồn diện hệ thống lưới điện thơng minh gia đình 29 CHƯƠNG TÍCH HỢP CÁC CHUẨN TRUYỀN THƠNG KHÁC NHAU 3.1 Zigbee Zigbee (tên gọi lấy ý tưởng từ việc truyền tin theo đường ziczag bầy ong) giao thức truyền thông phát triển dựa chuẩn truyền thơng khơng dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio ba dải tần số tuỳ theo khu vực: - Châu Âu dùng dải 868-868.8 MHz có kênh tín hiệu, tốc độ truyền 20 kbps - Mỹ, Canada, Úc dùng dải 902-928 MHz có 10 kênh tín hiệu, tốc độ truyền 40 kbps - Các nước khác dùng dải 2.4-2.4835 GHz có 16 kênh tín hiệu, tốc độ truyền 250 kbps Tải FULL (79 trang): https://bit.ly/3fQM1u2 Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ Tiêu chuẩn ZigBee định nghĩa lớp giao tiếp tầng trở lên mô hình OSI Mục đích tạo cấu trúc liên kết mạng (hệ thống phân cấp) phép số thiết bị giao tiếp chúng thiết lập tính giao tiếp bổ sung xác thực, mã hóa, liên kết dịch vụ ứng dụng lớp Nó tạo tập hợp công ty thành lập Liên minh ZigBee Trong thiết bị Waspmote SquidBee, giao thức thiết lập mô đun XBee ZB Digi Hình 3.1 Mơ hình OSI giao thức MQTT ZigBee cung cấp bốn loại dịch vụ khác nhau: - Dịch vụ Đăng ký bổ sung (các khóa ứng dụng mạng thực mã hóa AES 30 128b bổ sung) - Kết hợp xác thực (chỉ nút hợp lệ tham gia vào mạng) - Giao thức định tuyến: AODV, giao thức ad hoc thực để thực trình định tuyến chuyển tiếp liệu tới nút mạng - Dịch vụ ứng dụng: Một khái niệm trừu tượng gọi "cụm" giới thiệu Mỗi nút thuộc cụm xác định trước thực số hành động xác định trước Có ba loại thiết bị mạng ZigBee: - Điều phối viên (Coordinator): thiết bị chính, có khả định kết cấu mạng, quy định cách đánh địa lưu giữ bảng địa Mỗi mạng có điều phối viên thành phần truyền thơng với mạng khác - Bộ định tuyến (Router): có chức định tuyến trung gian truyền liệu, phát lập đồ nút xung quanh, theo dõi, điều khiển, thu thập liệu nút bình thường Các định tuyến thương trạng thái hoạt động để truyền với thành phần khác mạng thiết bị đầu cuối - Thiết bị đầu cuối (End device): nút truyền thơng với Coordinator Router gần nó, chúng coi điểm cuối mạng, thường cảm biến lấy thông tin từ môi trường trạng thái nghỉ để tiết kiệm lượng Chúng đánh thức cần nhận gửi thơng điệp Các thiết bị chia làm nhóm FFD (Full function device) đóng vai trò Coordinator, Router End device; RFD (Reduced function device) đóng vai trị End device Tải FULL (79 trang): https://bit.ly/3fQM1u2 Một số quy tắc kết nối: Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ - Các End device kết nối với Router Coordinator - Các Router kết nối chúng với với Coordinator - Các Router Coordinator phải làm việc Chúng phải lưu đệm gói tin đến End device - Các End device trạng thái ngủ ZigBee lớp cho tổ chức mạng Khi nút (tuyến đường thiết bị đầu cuối) muốn tham gia mạng cần yêu cầu Coordinator cho địa mạng 16b, phần trình kết hợp Tất thông tin mạng định tuyến địa địa MAC 64b Trong quy trình xác thực mã hóa bước thực Một nút tham gia vào mạng gửi thơng tin cho thiết bị khác thông qua Router sẵn sàng chuyển tiếp gói tin Khi Router nhận gói 31 tin đích đến tín hiệu radio nó, Router xem liệu thiết bị nhận tin có kích hoạt hay khơng Trong trường hợp Router gửi gói tin đến End device mà khơng kích hoạt, Router lưu gói tin vào nhớ đệm End device kích hoạt lại gửi tin đến Router Những thiết bị tuỳ ứng dụng cụ thể mà kết nối với theo cấu hình mạng bản: - Mạng hình sao: có Coordinator kết nối với End device, thân End device không truyền liệu trực tiếp cho Hình 3.2 Mạng Zigbee hình - Mạng hình lưới: có ưu điểm cho phép truyền thơng liên tục có khả tự xác định lại cấu hình xung quanh để thiết lập kết nối nút bị hỏng Mỗi nút lưới có khả kết nối định tuyến với nút lân cận Đặc điểm mạng hình thành tương tự mạng hình sao, có thêm Router làm định tuyến liệu, mở rộng mạng điều khiên, thu thập số liệu nút bình thường 7761861 ... NGUYỄN ĐẮC THỊNH THIẾT KẾ IoT GATEWAY SỬ DỤNG MÁY TÍNH NHÚNG CHO LƯỚI ĐIỆN THƠNG MINH TRONG HỘ GIA ĐÌNH Chuyên ngành : Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 852 02 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG... thông minh hộ gia đình - Giới thiệu Lưới điện thơng minh hộ gia đình - Thách thức tích hợp chuẩn giao thức truyền thông hệ thống điện Chương 2: Thiết kế IoT Gateway - Thiết kế phần cứng - Thiết kế. .. thống điện thông minh smart phone Thiết kế IoT Gateway sử dụng máy tính nhúng kết nối thiết bị điện thơng minh hộ gia đình có chuẩn truyền thơng Zigbee MQTT Đối tượng phạm vi nghiên cứu Trong