luận văn thạc sĩ nghiên cứu một số phương pháp giao tiếp giữa các cảm biến và ứng dụng iot trong giám sát thiết bị điện phòng học

O V TR Ờ G OT O I HỌ QUY H NGUYỄN CHÍ THANH NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PH G PHÁP GIAO TIẾP GIỮA CÁC CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG IoT TRONG GIÁM SÁT THIẾT BỊ IỆN PHÒNG HỌC U V TH S HOA HỌC MÁY TÍNH nh ịnh – ăm 2021 e O V TR Ờ G OT O I HỌ QUY H NGUYỄN CHÍ THANH NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PH G PHÁP GIAO TIẾP GIỮA CÁC CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG IoT TRONG GIÁM SÁT THIẾT BỊ IỆN PHÒNG HỌC hu n ng nh : Khoa học máy tính s : 848 0101 g ời h ớng d n TS e GUYỄ THÀ H T LỜI A OA Tôi xin cam đoan: - Những nội dung luận văn thực hướng dẫn trực tiếp thầy TS Nguyễn Thành Đạt - Mọi tham khảo dùng luận văn trích dẫn rõ ràng trung thực tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm cơng bố - Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Tác giả luận văn Nguyễn Chí Thanh e LỜI CẢ ể hoàn thành luận văn này, cố gắng thân, nhận đƣợc giúp đỡ quý thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp gia đình Xin chân thành cảm ơn quan tâm, giúp đỡ tận tình thầy TS Nguyễn Thành ạt để luận văn thực tiến độ hoàn thành tốt đẹp Xin chân thành cảm ơn thầy, Khoa Cơng nghệ Thơng tin, Phịng Sau đại học - Trƣờng ại học Quy Nhơn tạo điều kiện giúp đỡ tơi hồn thành chƣơng trình đào tạo thạc sĩ ngành Khoa học máy tính khóa 22, khóa học 2019 - 2021 e i MỤC LỤC Trang M C L C i DANH M C CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT v DANH M C CÁC HÌNH VẼ vi DANH M C CÁC BẢNG ix MỞ ẦU .1 Lý chọn đề tài Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu ối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn HƢƠN Ơ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 TỔNG QUAN VỀ NT RN T O THINGS (IoT) 1.1.1 Giới thiệu Internet of Things (IoT) 1.1.2 Góc nhìn kỹ thuật IoT .7 1.1.3 Công nghệ IoT 1.1.4 ặc điểm hệ thống IoT 1.1.5 Mơ hình hệ thống IoT 11 1.1.6 Ứng dụng IoT .13 1.2 M NG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSNS (WIRELESS SENSOR NETWORKS) 13 1.2.1 Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây .13 1.2.2 Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến 14 1.2.3 Phân loại mạng cảm biến .16 1.2.4 Các tham số đánh giá hiệu mạng cảm biến không dây 17 1.2.5 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 20 1.3 M T SỐ GIAO THỨC TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG IoT .21 1.3.1 Giao thức MQTT 21 e ii 1.3.1.1 Giới thiệu 21 1.3.1.2 Lịch sử 21 1.3.1.3 Thành phần MQTT: .21 1.3.1.4 MQTT QoS 22 1.3.1.5 MQTT Broker IoT 23 1.3.1.6 Cách thức hoạt động giao thức MQTT 23 1.3.1.7 Ƣu điểm giao thức MQTT 25 1.3.1.8 Bảo mật giao thức MQTT 25 1.3.2 Giao thức COAP 27 1.3.2.1 Giới thiệu 27 1.3.2.2 Một số đặc điểm tính giao thức COAP 27 1.3.3 Giao thức AMQP .28 1.3.3.1 Giới thiệu 28 1.3.3.2 Một số đặc điểm tính giao thức AMQP 28 1.3.4 Giao thức DSS .29 1.3.4.1 Giới thiệu 29 1.3.4.2 Một số đặc điểm tính giao thức DSS 29 1.3.5 Giao thức XMPP 30 1.3.5.1 Giới thiệu 30 1.3.5.2 Một số đặc điểm tính giao thức XMPP 30 1.4 CÔNG NGHỆ WIFI 30 1.4.1 Giới thiệu 30 1.4.2 Công nghệ truyền nhận liệu 31 1.4.3 Thành phần mạng Wifi 34 1.4.4 Cấu trúc liên kết .34 1.4.5 Hotspot 35 1.4.6 Cách thức hoạt động .35 1.4.7 Giao tiếp Wifi .35 1.4.8 Ƣu nhƣợc điểm .36 e iii 1.4.9 So sánh WiFi với số công nghệ không dây khác 36 1.4.10 Bảo mật 38 1.5 HOME ASSISTANT (HASS) 38 1.5.1 Khái niệm 38 1.5.2 Một số đặc điểm Home Assistant 39 1.5.3 Tính Home Assistant 39 1.6 CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 40 1.6.1 Giới thiệu chip Wifi ESP32 .40 1.6.1.1 Tổng quan ESP32 40 1.6.1.2 ặc điểm ESP32 42 1.6.1.3 Sơ đồ chân module ESP32-WOOM-32 .43 1.6.1.4 Chức tích hợp ESP32 .45 1.6.1.5 Thiết bị ngoại vi cảm biến ESP32 49 1.6.1.6 ặc tính điện 51 1.6.1.7 Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32[26] 51 1.6.2 Cảm biến DTH11 52 1.6.2.1 Giới thiệu cảm biến DTH11 .52 1.6.2.2 Nguyên lý hoạt động: 52 1.7 M T SỐ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN .54 1.7.1 Nghiên cứu xây dựng m hình điều khiển nhà thơng minh sử dụng kết nối luetooth, SM 54 1.7.2 Ứng dụng internet of things xây dựng nhà thông minh 55 1.7.3 Nghiên cứu tích hợp mạng WSNS dựa cơng nghệ Zigbee 56 HƢƠN MƠ HÌNH ẢM BIẾN ỀU KHIỂN THIẾT BỊ ỆN PHỊNG HỌC 57 2.1 GIỚI THIỆU 57 2.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 59 2.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .59 2.2.2 Tính tốn thiết kế 61 2.3 ĨN Ĩ V TH ƠN MƠ HÌNH .64 e luan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hoc iv 2.3.1 óng gói điều khiển .64 2.3.2 Thi cơng mơ hình 65 2.3.3 Phần mềm lập trình vi điều khiển: VSCode (Visual Studio Code) .65 2.3.4 ài đặt Hassio home assistant TV box RED BOX 69 2.3.5 Web Server 78 HƢƠN THỰC NGHIỆM V NH .82 3.1 GIỚI THIỆU 82 3.2 MÔ TẢ THỰC NGHIỆM 82 3.2.1 Mô tả yêu cầu hệ thống .82 3.2.2 Lƣu đồ giải thuật mạch điều khiển 83 3.2.3 Lƣu đồ giải thuật Web Server .85 3.2.4 Phần cứng 86 3.2.5 Phần mềm lập trình (Visual Studio Code) 87 3.3 TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM 88 3.3.1 Thực kiểm tra trao đổi liệu publish subcribe 88 3.3.2 Thực đo nhiệt độ, độ ẩm gửi lên MQTT Broker 90 3.3.3 ánh giá kết mô .91 3.4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .92 3.4.1 Mơ hình 92 3.4.2 iều khiển giám sát thiết bị cảm biến qua Web Server 92 3.5 NHẬN XÉT V NH 94 3.5.1 Nhận xét 94 3.5.2 ánh giá 94 3.6 KẾT LUẬN V HƢỚNG PHÁT TRIỂN 98 3.6.1 Kết luận .98 3.6.2 Hƣớng phát triển 99 DANH M C TÀI LIỆU THAM KHẢO i PH L C iv luan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hoc e luan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hoc v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt MQTT Tiếng Anh Message Queuing Tiếng Việt Telemetry Transport luetooth lƣợng thấp BLE Bluetooth low energy CoAP Constrained Application Protocol DSL Bản tin hàng đợi truyền từ xa Digital Subcriber Line Institute of Electrical and Giao thức ứng dụng hạn chế Kênh thuê bao số Hass Home Assistant Trợ lý nhà HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn IEEE Electronics Engineers Viện kỹ thuật điện-điện tử IMAP Internet Message Access Protocol Giao thức truy cập th ng điệp internet IoT Internet of Thing Internet vạn vật LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn M2M Mobile to mobile Thoại với thoại MAC Medicum Access Control Kiểm sốt truy cập trung bình PSTN Public Switched Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch công Network cộng QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ RFID Radio Frequency Identification SMTP Simple Mail Transfer Protocol Giao thức truyền tải thƣ tín đơn giản TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền WSN Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây XMPP Extensible Messaging Nhận dạng đối tƣợng sóng vơ tuyến and Giao thức diện nhắn tin mở Presence Protocol rộng luan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hoc e luan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hoc vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Internet of things Hình 1.2 IoT kết nối vạn vật [3] .7 Hình 1.3 Năng lực truyền thơng Hình 1.4 Thời gian đáp ứng cho ứng dụng IoT Hình 1.5 Mơ hình IoT 11 Hình 1.6 Kiến trúc nút cảm biến 14 Hình 1.7 Phần mềm điều khiển node cảm biến 14 Hình 1.8 Mơ hình tham khảo OSI cấu trúc lớp liên kết liệu 16 Hình 1.9 Mạng phức tạp 16 Hình 1.10 Mạng đơn giản 17 Hình 1.11 Các khái niệm liên quan tới thời gian sống WSN 19 Hình 1.12 Phân loại khái niệm độ tin cậy truyền tin WSN 20 Hình 1.13 Hoạt động client 22 Hình 1.14 Hoạt động Topic .22 Hình 1.15 Thành phần MQTT hệ thống IoT 23 Hình 1.16 Giao thức COAP .27 Hình 1.17 Hoạt động giao thức COAP 28 Hình 1.18 Giao thức AMPQ 29 Hình 1.19 Dịch vụ phân bổ liệu DSS 29 Hình 1.20 Biểu tƣợng sóng WIFI 31 Hình 1.21 Cấu trúc liên kết ngang hàng 34 Hình 1.22 Cấu trúc liên kết dựa AP 34 Hình 1.23 Cách thức hoạt động mạng Wifi .35 Hình 1.24 Cách thức giao tiếp mạng Wifi 35 Hình 1.25 Giao diện hình Home Assistant .38 Hình 1.26 Module ESP32-WOOM-32 41 Hình 1.27 Kiến trúc ESP32 .42 luan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hocluan.van.thac.si.nghien.cuu.mot.so.phuong.phap.giao.tiep.giua.cac.cam.bien.va.ung.dung.iot.trong.giam.sat.thiet.bi.dien.phong.hoc e