Công nghệ này giúp cho con người xây dựng được những căn nhà thông minh có thể điều khi n mể ột cách dễ dàng thông qua các sản phẩm thông minh như điện thoại, máy tính bảng, thậm chí nhữ
Đ ặ ấ t v n đ ề
Nhu cầu của con người và những thách thức trong thế giới mạng di động luôn thay đổi và phát triển để đạt được mục tiêu Dưới đây là những mục tiêu quan trọng cần chú ý.
+ Giải quy t t c đ truy n d li u: t c đ c a 5G s nhanh hơn 4G gấp ế ố ộ ề ữ ệ ố ộ ủ ẽ khoảng 100 lần đ ng thờ ộồ i đ trễ cũng gi m đi rất nhiều ả
Mạng 5G cải thiện chất lượng dịch vụ nhờ vào kỹ thuật song công toàn phần (Full Duplex), cho phép thu và phát tín hiệu gần như đồng thời Bên cạnh đó, công nghệ sóng milimet và việc áp dụng nhiều ăng-ten cho tế bào nhỏ giúp các thiết bị kết nối truyền tải dữ liệu với chất lượng vượt trội so với các thế hệ mạng trước.
+ Kết nối nhiều thiết bị: đó là k thuật MIMO quy mô lớn sẽ ỗ trợ càng ỹ h nhiều cổng cho trạm gốc
+ Tiết ki m đi n năng: làm tăng lên tu i th pin c a các thi t b như đi n ệ ệ ổ ọ ủ ế ị ệ thoại di động, máy tính xách tay …
Ngày nay, "nhà thông minh" và "Internet vạn vật" trở thành xu hướng tiên tiến, mang lại cuộc sống tiện nghi nhờ công nghệ Nhà thông minh kết nối các thiết bị như đèn, rèm cửa, máy lọc nước, âm thanh, camera và tivi qua internet trong kỷ nguyên 4.0 Các thiết bị này giao tiếp với nhau thông qua điện thoại, tạo ra một mô hình kết nối không dây Đầu tư cho hệ thống này không quá đắt, phù hợp với thực tế tại Việt Nam, mặc dù chưa phát triển mạnh mẽ nhưng hứa hẹn nhiều tiềm năng trong tương lai.
Tại Hội thảo “Xu hướng công nghệ 5G và IoT hướng tới cách mạng công nghiệp 4.0” do Ericsson và Cục Tần số vô tuyến điện (ARFM) tổ chức, đã trình diễn công nghệ 5G cùng những ứng dụng hiệu quả mà công nghệ này mang lại.
Tiến sỹ Magnus Ewerbring, Giám đốc Công ngh Ericsson khu vệ ực châu Á-Thái Bình Dương cho biết: Số ệ li u m i nh t t Báo cáo Di đ ng c a Ericsson ớ ấ ừ ộ ủ
2 cho thấy, công nghệ 5G đang phát tri n nhanh chóng và sẽể có n a tỉ thuê bao vào ử năm 2022
Hình M-1: Tiến sỹMagnus Ewerbring giới thiệu Báo cáo mới nhấ ủt c a
5G là nền tảng quan trọng để khai thác tiềm năng của Xã hội Kết nối, mở ra những thị trường kinh doanh mới cho doanh nghiệp Công nghệ này tạo ra nguồn doanh thu mới với các mô hình kinh doanh sáng tạo và hình thức sử dụng khác biệt, bao gồm cả các ứng dụng IoT (Internet of Things).
Hình M-2: Tốc độtruyền tả ữi d liệu của công nghệ 5G lên t i trên ớ
Trọng tâm của việc phát triển hạ tầng 5G là các plug-in 5G của Ericsson, cho phép tích hợp các tính năng 5G mượt mà vào mạng 4G/LTE hiện có Điều này sẽ giúp tăng cường khả năng xử lý lưu lượng cao trong các môi trường yêu cầu cao như nhà máy, trung tâm mua sắm và các khu vực đông đúc.
3 tạo nền tảng vững chắc cho việc sử ụ d ng vạn vật kết n i (IoT) trố ở thành hiện th c.ự
Tính cấp thiế ủ t c a đ tài 3 ề 3 Mụ c tiêu, đ i tư ng và phạm vi nghiên cứu 5 ốợ 3.1 M c tiêu nghiên cụ ứu
Đ i tư ố ợng nghiên cứu
T ừ các mụ tiêu đã đặt ra, luận án sẽ ập trung nghiên cức t u các đ i ố tượng như sau:
+ S ự triển khai của thế ệ ạ h m ng di đ ng thứ 5 (5G)ộ
+ Cấu trúc công nghệ ạ m ng 5G
+ Nền tảng phần mềm mạng 5G
+ H ệ sinh thái Internet of Things IoT-
Phạm vi nghiên cứu
Với các mục tiêu và đ i tư ng nghiên cố ợ ứu đã đư c xác đợ ịnh, phạm vi nghiên cứu của lu n án s bao g m: ậ ẽ ồ
+ Thông tin vô tuyến, hệ thống thông tin di động
+ Cơ sở lý thuy t v công ngh m ng 5G ế ề ệ ạ
+ Cơ sở lý thuy t v ế ềmô hình IoT
+ Phân tích thi t kế ế ệ h thống ứng dụng nền tảng 5G cho IoT
4 Phương pháp và nhiệm vụ nghiên c u ứ
Nghiên cứu lý thuyết thông tin vô tuyến và hệ thống di động giúp chúng ta có cái nhìn tổng quan về các thế hệ mạng qua các thời kỳ phát triển Bài viết đánh giá xu hướng và tiềm năng triển khai lên các thế hệ mạng mới, nhằm hướng đến những công nghệ tiên tiến hơn trong tương lai.
+ Nghiên cứu lý thuy t v h sinh thái IoT, cho cái nhìn t ng quan v xu ế ề ệ ổ ề thế phát tri n mới dựa trên nền tảng hệ ống 5G ể th
+ Phân tích các cơ hội và thách th c đ tri n khai 5G cũng như ng d ng ứ ể ể ứ ụ cho IoT trong tương lai.
Phương pháp và nhiệ m v nghiên cứu 6 ụ 1 Phương pháp nghiên cứu
Các nhiệm vụ nghiên c u 7 ứ 5 Các đóng góp khoa họ c c a lu n án 7 ủậ 6 B ố ụ c c c a luủ ận án
IoT cần một nền tảng di động mới để kết nối hiệu quả Trong vòng hai năm tới, công nghệ 5G sẽ bùng nổ, tối ưu hóa băng thông Dịch vụ đám mây cũng sẽ trải qua những thay đổi về truyền dẫn, cấu trúc và chia sẻ băng thông Điều này dẫn đến việc cần thiết phải nghiên cứu cụ thể để đáp ứng các yêu cầu của lĩnh vực này.
Khảo sát và phân loại các mô hình mạng di động hiện tại là cần thiết để đánh giá lý thuyết, tiêu chí và phương pháp triển khai 5G Việc chuẩn bị cơ sở hạ tầng phù hợp sẽ đóng vai trò quan trọng trong quá trình triển khai công nghệ 5G hiệu quả.
+ Phân tích những khó khăn, thách th c khi triển khai ứng dụứ ng 5G cho h ệ sinh thái IoT, xây dựng lộ trình phát tri n phù hợp ể
Xây dựng mô hình phân tích thiết kế hệ thống ứng dụng 5G cho IoT nhằm minh chứng các luận điểm lý thuyết và đánh giá tính khả thi trong triển khai thực tế.
5 Các đóng góp khoa học c a lu n án ủ ậ
Để thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu đã trình bày phía trên, chúng ta cần khía cạnh phương pháp luận tiếp cận vấn đề, có thể tóm tắt các đóng góp của luận án như sau:
+ Xác định 5G là gì ? Nó ho t đ ng như th ạ ộ ếnào?
+ Phần m m s d ng và các đ c đi m k thu t quan tr ng trong hệ ốề ử ụ ặ ể ỹ ậ ọ th ng mạng 5G.
+ Xác định h ệ sinh thái IoT là gì ? Phân tích, đánh giá ti m năng phát ề triển của IoT
+ Đưa ra các kết quả phân tích, đánh giá khả năng triển khai hệ thống mạng 5G, những yếu tố ần chuẩn bị để tiến lên 5G c
+ Đề xu t và phân tích thi t k mô hình IoT ng d ng h th ng m ng 5G ấ ế ế ứ ụ ệ ố ạ để ế ố k t n i và tương tác
Dựa trên các nhiệm vụ và kết quả nghiên cứu đã được trình bày trước đó, tác giả sẽ trình bày luận án theo năm chương với các nội dung được tóm tắt như sau.
TỔ NG QUAN V Ề ĐỀ TÀI NGHIÊN C U 9 Ứ 1.1 Lịch s phát triử ển hệ thống mạ ng thông tin di đ ng 9 ộ 1.1.1 Thế h m ệ ạ ng di đ ng đ u tiên 1G 9 ộầ- 1.1.2 Thế h m ệ ạ ng di đ ng thứ 2G 9 ộ 2- 1.1.3 Thế h m ệ ạ ng di đ ng thứ 3G 10 ộ 3- 1.1.4 Thế h m ệ ạ ng di đ ng thứ 4G 11 ộ 4- 1.2 Vấ n đ triển khai công nghề ệ ạ m ng di đ ộ ng th ế ệ ớ h m i 5G
Xu hướ ng k t n i v n v t- ế ố ạ ậ IoT
Ngày nay, cụm từ “nhà thông minh” và “Internet vạn vật” ngày càng trở nên phổ biến, phản ánh xu hướng công nghệ tiên tiến giúp nâng cao chất lượng cuộc sống Những giải pháp này không còn là điều xa vời mà đã hiện diện khắp nơi trên thế giới Qua các phương tiện truyền thông và Internet, chúng ta dễ dàng tìm thấy nhiều mô hình nhà thông minh đang có mặt trên thị trường.
Nhà thông minh là khái niệm kết nối các thiết bị thông qua Internet của vạn vật (IoT) trong kỷ nguyên 4.0 Các thiết bị như đèn chiếu sáng, rèm cửa, điều hòa, máy lọc nước, thiết bị âm thanh, camera và TV được kết nối và giao tiếp với nhau, tạo ra một mô hình sống thông minh và tiện nghi.
16 hình thức kết nối không dây qua điện thoại với mức đầu tư cho hệ thống không quá cao, phù hợp với tình hình thực tế tại Việt Nam Mặc dù chưa được phát
K t lu ế ận chương
Đề tài nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng công nghệ mạng 5G để xây dựng và phát triển mô hình nhà thông minh Bài viết sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về đề tài, cùng với các nội dung nghiên cứu chi tiết trong các phần tiếp theo.
+ Tìm hiểu chi ti t v công nghế ề ệ ạ m ng 5G,
+ Tìm hiểu, xây d ng mộ ệự t h thống toàn diện có tính ứng dụng thực ti n, ễ
+ Xây dựng đư c m t cơ s d li u đáp ng đ các tiêu chí đ t ra v i m t ợ ộ ở ữ ệ ứ ủ ặ ớ ộ h ệ thống, đa n n tảng, có tính kế thừa cao,ề
+ Phần mềm điều khiển trực quan, d dàng sễ ử ụ d ng,
+ Phần cứng có thể ễ d dàng tri n khai, gi m thiể ả ểu chi phí phát sinh.
HỆ TH NG M NG 5G 17 Ố Ạ 2.1 C u trúc công nghấ ệ ạ m ng 5G
Các tính năng chính củ a c u trúc 5G 17 ấ 2.1.2 Cấ u trúc cơ b n của 5G 20 ả 2.1.3 Cấ u trúc m ng cạ ủ a m ng di đạ ộ ng 5G
Những thách thức chính cần tập trung bao gồm lưu lượng truy cập gia tăng gấp 1000 lần và tốc độ dữ liệu tăng gấp 100 lần Để kiểm soát sự gia tăng mạnh mẽ này, có thể áp dụng nhiều công nghệ kỹ thuật, nhưng ba công nghệ chính cần chú trọng là MIMO, FBMC và đa truy cập không trực tiếp giao (NOMA) Những công nghệ này tập trung vào việc cải thiện hiệu quả phổ nhằm tăng dung lượng mạng Việc khai thác phổ mà không sử dụng băng tần số sóng milimet (mm) cũng rất hữu ích để cải thiện dung lượng mạng.
Mạng sử dụng UDN (Universal Domain Network) có khả năng tăng dung lượng mạng dựa trên tỷ lệ giữa số lượng tế bào mạng Việc mở rộng mạng Heterogeneous (HetNet) bao gồm các thành phần như macro ENodeB (eNB) và các loại eNB công suất thấp như micro eNB, pico eNB Giao tiếp giữa các thiết bị (D2D) có thể thay thế cho HetNet, giúp cải thiện tốc độ truyền dữ liệu và tăng cường hiệu quả Cân bằng tải giữa các hệ thống công nghệ đa truy cập vô tuyến (RAT) cũng có thể nâng cao dung lượng mạng thông qua việc cải thiện tài nguyên mạng hiện có.
Việc tăng cường mật độ người dùng trong mạng có thể cải thiện dung lượng bằng cách giảm tổn thất đường truyền, nhưng cũng làm tăng nhiễu và tín hiệu mong muốn, dẫn đến giảm hiệu quả Hệ thống trở nên phức tạp hơn khi mật độ tăng, đòi hỏi sự phối hợp giữa các tế bào khác nhau Lượng tín hiệu điều khiển trong mạng phân tán tăng theo phương trình bậc hai, cùng với cường độ tín hiệu cũng gia tăng Sự phối hợp trung tâm là tính năng ưu tiên trong cấu trúc 5G, giúp cải thiện hiệu suất mạng thông qua việc quản lý tài nguyên chung Hơn nữa, sự di động của người dùng và khả năng chuyển giao liên tục khi di chuyển nhanh là những yếu tố quan trọng cần được quản lý hiệu quả.
18 lý do quan trọng cho mạng truy cập vô tuyến (RAN) trong công nghệ 5G Đồng thời, mạng lõi tế bào (CN) cũng cần được xem xét để quản lý sự tăng trưởng mạnh mẽ về lưu lượng giao thông.
Cách truyển thông trong mạng LTE tập trung vào chức năng của P-GW, nơi dữ liệu phải đi qua để kết nối với Internet, dẫn đến việc tối ưu hóa và tắc nghẽn P-GW không chỉ là bộ phận dữ liệu mà còn thực hiện nhiều chức năng như giám sát, thanh toán và kiểm soát truy cập, gây ra khả năng linh hoạt và mở rộng thấp hơn Điều này làm cho nhà vận hành khó khăn trong việc tăng cường chức năng điều khiển và quản lý dữ liệu Mạng truyền thống không hỗ trợ việc tách bạch giữa bộ phận điều khiển và bộ phận dữ liệu, điều này cần thiết để cải thiện hiệu suất Các tính năng như lập lịch chung và giảm thiểu nhiễu trung tâm là rất quan trọng cho mạng di động thế hệ 5G nhằm nâng cao dung lượng mạng Đặc biệt, trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe và an ninh, yêu cầu về độ trễ là rất nghiêm ngặt, với thách thức chủ yếu là duy trì độ trễ dưới 1 ms Công nghệ GFDM được thiết kế để vượt qua thách thức về thời gian thực trong mạng 5G, trong khi các công nghệ như lưu trữ nội dung cục bộ và D2D có thể giảm đáng kể độ trễ Cấu trúc mạng 5G sẽ tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên bộ đệm toàn cầu và D2D có thể giảm trễ trực tiếp, tuy nhiên, việc quản lý D2D cũng cần được xử lý một cách tập trung để đạt hiệu quả cao nhất.
Số lượng lớn thiết bị MTC được kết nối yêu cầu có những đặc điểm và yêu cầu riêng biệt Sự đa dạng của thiết bị MTC càng tăng khi số lượng người sử dụng dịch vụ trên mỗi eNB gia tăng, dẫn đến áp lực giảm bớt trên mạng Mạng cần thích nghi linh hoạt để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) và có khả năng lập trình sâu hơn với các ứng dụng khác nhau Do đó, việc tách phần mềm khỏi phần cứng và xây dựng phần mềm thông qua xử lý đa năng (GPPs) qua công nghệ ảo hóa là cần thiết Để đáp ứng các yêu cầu dịch vụ MTC đặc thù, giao thức cần đơn giản hóa hoặc điều chỉnh để giảm độ trễ và đạt được mục tiêu hiệu suất Việc tách phần mềm ra khỏi phần cứng là rất quan trọng cho mạng di động 5G, giúp nâng cao khả năng lập trình và khả năng thích ứng với các dịch vụ và ứng dụng.
Việc giảm chi phí là cần thiết trong bối cảnh triển khai các dịch vụ mạng mới, do các chức năng thường gắn liền với phần cứng riêng biệt Chi phí năng lượng và thách thức đầu tư cho thiết kế, tích hợp và vận hành thiết bị phức tạp ngày càng cao Hơn nữa, vòng đời của phần cứng ngắn lại, dẫn đến việc cần lặp lại quy trình triển khai mà không có lợi nhuận Để tối ưu hóa, cần tách phần mềm khỏi phần cứng và chuyển sang cấu trúc mạng ảo hóa, giúp triển khai dịch vụ trên máy chủ và thiết bị chuyển đổi Mạng tương lai cũng sẽ hỗ trợ ảo hóa mạng để giảm thiểu thiết bị gốc và tối ưu hóa năng lượng cho hoạt động mạng không dây Việc này không chỉ giúp giảm CAPEX và OPEX mà còn cải thiện hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng trong mạng di động 5G.
Cải tiến hiệu suất năng lượng là một quá trình quan trọng, có thể được đánh giá từ hai khía cạnh chính: hiệu suất năng lượng của cơ sở hạ tầng và hiệu suất của thiết bị Việc tối ưu hóa cả hai yếu tố này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả hoạt động tổng thể.
Công nghệ đầu cuối như massive MIMO và UDN giúp cải thiện chất lượng kết nối, giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài tuổi thọ pin thiết bị Việc lựa chọn các thành phần tối ưu như CPU, màn hình và thiết bị âm thanh là cần thiết để nâng cao hiệu suất năng lượng Giao thức có thể được đơn giản hóa để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng Cấu trúc mạng cần cung cấp các giao thức khác nhau thông qua ảo hóa mạng để nâng cao hiệu suất Ngoài việc tận dụng lợi ích từ UDN và MIMO quy mô lớn, cấu trúc mạng cũng có thể tự động bật/tắt trạm gốc của tế bào nhỏ tùy vào tải lưu lượng, đồng thời duy trì vùng phủ sóng của tế bào vĩ mô Sự hợp tác giữa các tế bào trong mạng là cần thiết để thực hiện việc này hiệu quả Cuối cùng, cấu trúc mạng di động 5G không chỉ cải thiện hiệu suất năng lượng của thiết bị mà còn tăng cường tổng thể hiệu suất năng lượng thông qua ảo hóa mạng và quản lý tài nguyên mạng trung tâm.
Cấu trúc mạng 5G rất tiên tiến với các thành phần và thiết bị đầu cuối được nâng cấp để đáp ứng nhu cầu hiện tại Khả năng nâng cấp dựa trên công nghệ vô tuyến nhận thức bao gồm nhiều tính năng quan trọng, như khả năng cảm nhận thiết bị và môi trường, cũng như khả năng điều chỉnh theo thời gian thực, nhiệt độ và các yếu tố khác.
Hình 2.1: Cấu trúc cơ sở ạ m ng 5G[1]
Mô hình 5G hoàn toàn dựa trên IP, được thiết kế cho mạng không dây và di động, bao gồm các thiết bị đầu cuối chính và nhiều công nghệ truy cập vô tuyến độc lập Công nghệ này liên kết địa chỉ IP với thế giới Internet bên ngoài, nhằm đảm bảo dữ liệu được kiểm soát và truyền tải các gói IP phù hợp với các ứng dụng và máy chủ trên Internet Để định tuyến các gói tin, hệ thống cần tuân thủ các điều khoản đã được người dùng thiết lập Cấu trúc 5G bao gồm nhiều phần khác nhau: lõi, không dây và di động, trong đó phần di động được sử dụng rộng rãi nhất.
2.1.3 C ấ u trúc m ạ ng c ủ a m ạ ng di đ ộ ng 5G
Agyapong, Iwamura, Staehle, Kiess và Stewebbour đã đề xuất một cấu trúc cho mạng 5G Trước khi trình bày cấu trúc này, chúng ta sẽ thảo luận về các thành phần chính của cấu trúc mạng, bao gồm các yếu tố quan trọng cần thiết cho sự phát triển và hiệu suất của mạng 5G.
Hệ thống mạng logic và mạng vô tuyến (RN) cung cấp một nền tảng tối thiểu cho chức năng L1/L2, đồng thời tích hợp các tính năng toán đám mây để nâng cao hiệu suất và khả năng hoạt động.
+ Triển khai đ ng và m r ng các ch c năng trong đi n toán đám mây ộ ở ộ ứ ệ thông qua SDN và NFV
+ Một chồng giao thức hoàn thành đư c thông qua việc lo i b các chợ ạ ỏ ức năng dự phòng và tích h p c a AS và NAS ợ ủ
Cung cấp riêng lẻ phạm vi bảo hiểm và công suất trong RN bằng cách sử dụng cấu trúc phân chia bộ phận C/U và các dải tần số khác nhau cho vùng phủ sóng và công suất tối ưu.
Chuyển tiếp và lồế ng nhau là quá trình kết nối các thiết bị không rõ ràng, giúp tối ưu hóa tài nguyên mạng Điều này hỗ trợ nhiều thiết bị di động và các hotspot động, nâng cao hiệu suất sử dụng mạng thông qua việc phân phối tài nguyên hiệu quả hơn.
+ Truy cập không kết n i và d a trên tranh chố ự ấp với dạng sóng mới dành cho truy cập không đ ng bộ ố ợồ s lư ng lớn của thiế ị MTC t b
+ Trí thông minh mạng điều khiển dữ ệ li u dành cho tối ưu hóa việ ậc l p kế hoạch và sử ụ d ng tài nguyên m ng ạ
Nền tảng phần mềm mạng 5G
Nền tảng giao diện không gian mở (OAI) cung cấp sự ổn định và đầy đủ cho các thành phần phần mềm của hệ thống tế bào mạng 4G, tuân thủ các tiêu chuẩn 3GPP LTE Nó được mã hóa bằng ngôn ngữ lập trình C trong môi trường Linux thời gian thực, dành riêng cho kiến trúc x86 OAI cung cấp nhiều tính năng nổi bật, hỗ trợ phát triển và triển khai mạng di động.
+ LTE phiên b n 8.6, vả ới m t t p h p con cộ ậ ợ ủa phiên bản 10
+ Cấu hình FDD và TDD ở băng thông 5, 10 và 20 MHz
+ Chế độ truy n t i: 1 (SISO) và 2, 4, 5 và 6 (MIMO 2x2) ề ả
+ H ỗ trợ HARQ (UL và DL)
Xử lý băng cơ sở với độ tối ưu hóa cao, bao gồm cả giải mã turbo, là những hoạt động quan trọng được thực hiện và xác định thực tế khi LTE ra đời Hiện nay, MATLAB đã triển khai một số thao tác để tạo ra loại tín hiệu mong đợi trong công nghệ 5G MATLAB được sử dụng để xác định kết quả thu được từ WLAN (Mạng cục bộ không dây), LTE và LTE Advanced, mở ra hướng đi mới cho sự phát triển của 5G.
Do nhu cầu ngày càng cao, kết nối không dây cho máy tính đã trở nên thiết yếu, với hầu hết các máy tính xách tay mới đều hỗ trợ Wi-Fi Các giải pháp WLAN theo tiêu chuẩn IEEE 802.11, thường được gọi là Wi-Fi, đã trở thành tiêu chuẩn thực tế Với tốc độ truyền dữ liệu khoảng 54 Mbps, Wi-Fi có khả năng cạnh tranh tốt với các hệ thống có dây Để nâng cao tính linh hoạt và hiệu suất của hệ thống, các hotspot Wi-Fi ngày càng trở nên phổ biến.
Máy tính xách tay ngày càng trở nên phổ biến và tiện lợi cho người dùng Họ có thể sử dụng thiết bị này ở nhiều địa điểm như khách sạn, phòng chờ sân bay, quán cà phê và nhiều nơi khác thông qua kết nối không dây, thay vì phải phụ thuộc vào dây cáp.
Ngoài các tiêu chuẩn 802.11 cho mạng cục bộ không dây tạm thời, ứng dụng WLAN còn phù hợp cho các cài đặt lâu dài trong văn phòng Thiết bị WLAN cung cấp giải pháp bán cố định hiệu quả, giúp tiết kiệm chi phí nhờ việc loại bỏ dây nối vĩnh viễn Việc sử dụng thiết bị WLAN cho phép linh hoạt trong việc thay đổi vị trí thiết bị văn phòng mà không cần lắp đặt dây điện, mang lại sự thuận tiện và tiết kiệm cho doanh nghiệp.
Tiêu chuẩn Wi-Fi IEEE 802.11 được sử dụng phổ biến để cung cấp giải pháp mạng WLAN tại các hotspot như quán cà phê, sân bay, khách sạn và các địa điểm tương tự, cũng như trong các tình huống văn phòng.
Các tiêu chuẩn 802.11 thuộc Ủy ban tiêu chuẩn LAN/MAN IEEE 802 LMSC bao gồm nhiều tiêu chuẩn khác nhau, mỗi tiêu chuẩn được phân biệt bằng hậu tố Những tiêu chuẩn này không chỉ liên quan đến công nghệ không dây mà còn bao gồm các khía cạnh như bảo mật, chất lượng dịch vụ và nhiều yếu tố tương tự.
+ 802.11a - Hoạ ột đ ng ở băng tần ISM 5 GHz với tốc đ d liệộ ữ u lên tới
+ 802.11b - Hoạ ột đ ng ở băng tần ISM 2,4 GHz với tốc đ d liệộ ữ u lên tới
+ 802.11e - Chất lư ng dịợ ch v và ưu tiên ụ
+ 802.11g - Hoạ ột đ ng ở ố t c đ 2,4 GHz ISM v i tốộ ớ c đ d liệu lên tới 54 ộ ữ Mbps
+ 802.11i - Xác thực và mã hóa
+ 802.11n - Hoạ ột đ ng ở băng tần ISM 2,4 và 5 GHz với tốc đ d li u ộ ữ ệ lên tới 600 Mbps
+ 802.11ac - Hoạt đ ng dư i 6GHz đ cung cấp tốộ ớ ể c đ d li u ít nhất ộ ữ ệ 1Gbps cho hoạ ột đ ng đa cấp và 500 Mbps trên một liên k t ế
+ 802.11ad - Cung cấp thông lư ng rất cao ở ần sốợ t lên t i 60GHz ớ
+ 802.11af - Wi Fi trong khoảng trắng phổ- TV (thư ng đư c g i là ờ ợ ọ White Fi)-
+ 802.11ah - Wi Fi sử ụng phổ không được cấp phép dướ- d i 1 GHz đ liên ể lạc và hỗ trợ ầm xa cho Internet của mọi thứ t
Các tiêu chuẩn đư c sử ụợ d ng rộng rãi nhất được biết đến là tiêu chuẩn 802.11a, 802.11b, 802.11g và phổ biến mới nhất là 802.11n
Tiêu chuẩn Wi-Fi 802.11 hoạt động trong các dải tần ISM, bao gồm công nghiệp, khoa học và y tế Những tiêu chuẩn này cho phép nhiều người dùng cùng truy cập, nhưng không được phép hoạt động ở mức độ gây nhiễu trong các tần số này Các tiêu chuẩn phổ biến bao gồm 802.11a, 802.11b và 802.11g, trong khi tiêu chuẩn WLAN mới nhất, 802.11n, cung cấp tốc độ dữ liệu lên tới 600 Mbps.
Các tiêu chuẩn WLAN đã phát triển qua nhiều giai đoạn với những thông số kỹ thuật và tính năng khác nhau Tiêu chuẩn đầu tiên, 802.11b, hoạt động trên băng tần 2,4 GHz, cung cấp tốc độ dữ liệu lên tới 11 Mbps thông qua kỹ thuật điều chế CCK và DSSS Tiêu chuẩn tiếp theo, 802.11a, sử dụng băng tần 5GHz và kỹ thuật OFDM, nhưng 802.11b nhanh chóng trở nên phổ biến nhờ vào chi phí sản xuất chip thấp cho băng tần 2,4 GHz Để tăng tốc độ, 802.11g được giới thiệu vào tháng 6 năm 2003, cũng sử dụng băng tần 2,4 GHz với tốc độ dữ liệu lên tới 54 Mbps, tương tự như 802.11b.
32 năng tương thích ngược v i 802.11b Vì v y, trong phiên bản mới nh t c a mớ ậ ấ ủ ạng WLAN, chuẩn 802.11 mang đã đượ ử ục s d ng
Vào tháng 1 năm 2004, IEEE công bố rằng họ đang phát triển một tiêu chuẩn mới với mục tiêu nâng cao hiệu suất mạng không dây Tiêu chuẩn 802.11n đã được thử nghiệm vào thời điểm đó, tương tự như 802.11g, và được ngành công nghiệp chấp nhận vào đầu năm 2006 Nhờ vào sự hiểu biết đầy đủ về các yêu cầu phát triển, 802.11n đã chính thức được giới thiệu vào năm 2007.
Mạng 802.11: Có hai loại mạng là mạng cơ s h tở ạ ầng và mạng Ad-hoc
Mạng lư i cơ sớ ở h tạ ầng nhắm vào các khu vực văn phòng ho c đ cung cấp ặ ể
Hotspot là một giải pháp WLAN linh hoạt, có thể được cài đặt ở nhiều vị trí khác nhau, thay vì sử dụng hệ thống có dây hạn chế và tốn kém Mạng có dây yêu cầu kết nối trực tiếp với máy chủ, trong khi mạng không dây được chia thành nhiều tế bào, mỗi tế bào được phục vụ bởi một trạm gốc hoặc điểm truy cập (AP) Mỗi điểm truy cập có phạm vi hoạt động từ 30m đến 300m, tùy thuộc vào môi trường và vị trí của nó.
Mô tả ộ b thu phát m ng WLAN bằng Matlab: ạ
Hình 2.5: Sơ đồ khối và chức năng mã của m ng WLAN ạ [1]
Bên phát là một thiết bị quan trọng dùng để tạo và truyền sóng điện từ, mang theo thông điệp hoặc tín hiệu, đặc biệt là tín hiệu radio Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá cách sử dụng bên phát như một hàm đầu để tạo ra sóng thí nghiệm.
Kênh truyền thông là băng thông được sử dụng để phân bổ cho việc phát sóng radio và truyền hình Một kênh pha đinh được định nghĩa là kênh trải nghiệm pha đinh trong các hệ thống không dây Pha đinh có thể xảy ra do sự lan truyền đa đường và ảnh hưởng của bóng từ các chướng ngại vật, được gọi là pha-đinh bóng.
Bên thu trong hệ thống truyền tín hiệu có vai trò nhận tín hiệu từ bên phát, với hai phương pháp chính là đồng bộ hóa và giải điều chế OFDM, cùng với ước tính kênh Trong giao tiếp không dây, bên thu cần xác định thời gian tức thời để lấy mẫu tín hiệu, được gọi là đồng bộ hóa thời gian Đối với truyền
Giải điều chế ghép kênh phân chia tần s tr c giao (OFDM): Thuật ố ự ngữ này được sử ụ d ng như m t phương pháp điộ ều chế đa sóng mang kỹ thu t số ậ
K t lu ế ận chương
5G không chỉ đơn thuần là việc tăng tốc độ tải dữ liệu so với 4G, mà còn mang lại nhiều cải tiến vượt trội Công nghệ này cho phép kết nối đồng thời nhiều thiết bị hơn, cải thiện hiệu suất truyền tải dữ liệu trên mỗi đơn vị diện tích, và giảm tiêu thụ pin Ngoài ra, 5G còn giảm thiểu xác suất mất kết nối, cung cấp tốc độ tải cao hơn trong các khu vực có độ phủ sóng thấp, đồng thời hỗ trợ nhiều thiết bị hơn với chi phí triển khai hạ tầng thấp hơn Tính linh hoạt và khả năng mở rộng của mạng 5G cũng cao hơn, đảm bảo độ tin cậy trong truyền thông.
Dưới đây là mộ ốt s ghi nh n s khác bi t c a 5G m ra xu th phát tri n ậ ự ệ ủ ở ế ể m i-kớ ết nối vạn vật IoT mà chúng ta sẽ nghiên cứu ở chương tiếp theo:
Mạng di động siêu hiệu quả cung cấp khả năng mở rộng và tiết kiệm chi phí cho các nhà khai thác Điều này đáp ứng nhu cầu cấp thiết trong việc quản lý chi phí vận chuyển dữ liệu, đặc biệt khi khối lượng dữ liệu ngày càng tăng.
Mạng di động siêu nhanh là sự phát triển tiếp theo của các tế bào nhỏ, kết nối với nhau để cung cấp dịch vụ trong một phạm vi rộng, bao gồm ít nhất một khu vực đô thị Điều này tạo ra một "khu vực rộng lớn di động" với khả năng đáp ứng nhu cầu sử dụng dữ liệu cao trong thời đại công nghệ hiện nay.
Một mạng lư i sợi dây hội tụ: các ết nốớ k i cơ b n bao gồm các liên kết ả
"ngắn" không dây ở đầ u của sợi cáp quang tại đ a phương Nó sẽị có thêm m t ộ
"du mục" dịch vụ (như WiFi) ch không phứ ải là một khu vực rộng lớn "di đ ng" ộ dịch vụ
HỆ SINH THÁI IOT
Mô hình nhà thông minh
Nhà thông minh, hay còn gọi là home automation, domotics, hoặc Intellihome, là một kiểu nhà được trang bị các thiết bị điện tử có khả năng điều khiển hoặc tự động hóa, nhằm thay thế con người trong việc thực hiện các thao tác quản lý và điều khiển Hệ thống điện tử này tương tác với người dùng thông qua bảng điều khiển điện tử lắp đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bảng, hoặc thông qua giao diện web.
Trong căn nhà thông minh, các thiết bị trong phòng ngủ, phòng khách và toilet đều được điều khiển qua điện tử thông qua Internet và điện thoại di động Điều này cho phép chủ nhân dễ dàng điều khiển các vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị hoạt động theo lịch Hơn nữa, các đồ gia dụng có khả năng hiểu ngôn ngữ của nhau và tương tác với nhau một cách hiệu quả.
Nhà thông minh là một hệ thống tự động hóa, bao gồm kiểm soát ánh sáng, rèm cửa, nhiệt độ, camera giám sát, khóa cửa, và hệ thống báo động Ví dụ, hệ thống có thể điều chỉnh độ sáng đèn cho các bữa tiệc tối, tiết kiệm năng lượng và tạo không gian phù hợp Ngoài ra, nhà thông minh còn tích hợp các ứng dụng giải trí, kết nối điện thoại, và hệ thống tưới nước, cho phép các thiết bị trong nhà giao tiếp với nhau Tất cả các chức năng này được quản lý bởi một máy tính trung tâm, giúp theo dõi trạng thái và đưa ra quyết định điều khiển hợp lý.
Nhà thông minh đã được mô tả trong nhiều tác phẩm khoa học viễn tưởng từ nhiều năm trước, nhưng chỉ thực sự trở thành hiện thực vào thế kỷ 20 nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của điện và những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ thông tin.
Hình 3.2: Các thành phần cơ bản c a h thống nhà thông minh ủ ệ
M t s ộ ố mô hình nhà thông minh tạ i Vi t Nam 60 ệ 1 Bkav SmartHome Luxury [8]
Bkav SmartHome là hệ thống nhà thông minh tiên tiến hàng đầu thế giới, tích hợp nhiều công nghệ vượt trội Hệ thống này mang đến trải nghiệm sống tiện nghi và an toàn, phù hợp với xu hướng hiện đại Bkav SmartHome không chỉ giúp quản lý ngôi nhà một cách thông minh mà còn nâng cao chất lượng cuộc sống cho người sử dụng.
Gartner) Các sản phẩm của Bkav t p chung vào phân khúc cao cậ ấp, cạnh tranh với các giải pháp nhà thông minh từ nư c ngoài ớ
Nhà thông minh Bkav kết nối các thiết bị trong ngôi nhà thành một hệ thống mạng, cho phép điều khiển dễ dàng qua các thiết bị thông minh như smartphone và máy tính bảng Hệ thống bao gồm đèn chiếu sáng, rèm cửa, điều hòa nhiệt độ, tivi, âm thanh, khóa cửa, bình nóng lạnh, quạt thông gió, camera an ninh, chuông cửa có hình, và hệ thống bơm tưới nước cho tiểu cảnh và bể cá.
Nhà thông minh Bkav SmartHome Luxury bao gồm 1 số tính năng sau: + H ệ thống ánh sáng thông minh
+ H ệ thống đi u khiển rèm mành ề
+ H ệ thống an ninh thông minh
+ H ệ thống kiểm soát môi trường
+ H ệ thống giải trí âm thanh đa vùng
+ Kịch bản ngữ ảnh thông minh c
+ Kết nối không giớ ại h n
Hình 3.3: Mô hình nhà thông minh Bkav SmartHome Luxury 3.3.2 Nhà thông minh TIS SMART HOME [9]
TIS SMART HOME là thương hi u đệ ến từ M v i kinh nghi m hơn 15 ỹ ớ ệ năm trong lĩnh vực nhà t ự động (home automation) và nhà thông minh (smart
Xưởng sản xuất của TIS tọa lạc tại Hồng Kông, Trung Quốc, điều này giúp giảm chi phí sản xuất, làm cho thiết bị thông minh của TIS có giá thành cạnh tranh hơn so với các thương hiệu khác.
Hình 3.4: Mô hình nhà thông minh TIS SMART HOME Nhà thông minh TIS SMART HOME bao gồm 1 số tính năng sau:
+ H ệ thống chiếu sáng thông minh.
+ H ệ thống rèm cửa thông minh.
+ H ệ thống đi u hòa thông minh ề
+ An toàn vớ ệ ối h th ng an ninh thông minh
+ H ệ thống tư i cây thông minh.ớ
+ H ệ thống giải trí âm thanh đa vùng.
+ Kịch bản ngữ ảnh thông minh c
+ Các tính năng khác: bình nóng lạnh, tivi, đi u khi n c a c ng t ề ể ử ổ ự động,…
3.3.3 Nhà thông minh Schneider- Wiser Home [10]
Schneider là một tập đoàn lớn toàn cầu, chuyên cung cấp thiết bị điện từ Pháp Tại Việt Nam, Schneider luôn dẫn đầu trong lĩnh vực nhà thông minh, an ninh và an toàn.
Các thi t bế ị đi n thông minh củệ a Schneider đ u có nh ng ưu đi m vư t ề ữ ể ợ trội về ất lượch ng cũng như đ b n của sản phẩm ộ ề
Các thành phần trong xây dựng mô hình nhà thông minh
Hình 3.5: Bảng điều khiển nhà thông minh Schneider - Wiser Home
Một số đặc điểm của nhà thông minh Schneider- Wiser Home:
+ Điều khi n theo kịch bản ể
+ Điều khi n theo th i gian ể ờ
+ Điều khi n chi u sáng tự độể ế ng
+ Điều khi n rèm và c a t ng ể ử ự độ
+ Điều khi n điềể u hòa nhi t đ ệ ộthông minh.
+ Điều khi n b ng Iphone, Ipad ể ằ
+ H ệ thống an ninh, cảnh báo ch ng đ t nh p ố ộ ậ
+ H ệ thống cảnh báo cháy, báo rò gas
+ H ệ thống chuông cửa có hình
+ H ệ thống âm thanh đa vùng.
3.4 Các thành ph n trong xây dầ ựng mô hình nhà thông minh
Esp8266 là một SOC Wi-Fi được phát triển bởi công ty Trung Quốc Espressif Systems Thiết bị này tích hợp đầy đủ các tính năng liên quan đến Internet trong một kích thước nhỏ gọn và với mức giá rất hợp lý Bên trong Esp8266 có một lõi vi xử lý mạnh mẽ, cho phép thực hiện nhiều ứng dụng IoT khác nhau.
64 x ử lý nên có thể trực tiếp lập trình cho nó mà không cần bất kỳ ột con vi xử lý m nào nữa
Hình 3.6: ESP8266 V12E Thông số ỹ k thu t: ậ
B ả ng 3.1: Thông s ố cơ bả n c ủ a module ESP8266
Thông số kỹ thuật Giá trị Điện áp đầu vào 3.3V
Tốc độ truyền Serial (Baurate) 115200(Max)
Hỗ trợ SPI, I2C, I2S, UART, ADC
Dòng tiêu thụ Max 320mA
Giao thức mạng IPv4, TCP/UDP, HTTP, FTP
Dải nhiệt độ hoạt động -40°C -:- 125°C
Hình 3.7: Sơ đồ chân c a nodeMCU ESP8266 v12E ủ
3.4.2 Công ngh ệ RFID và module RFID RC522
RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ nhận diện đối tượng bằng sóng vô tuyến, cho phép nhận dạng và theo dõi các vật thể từ xa Phương pháp này sử dụng thẻ RFID và đầu đọc RFID để thu thập dữ liệu một cách hiệu quả, giúp quản lý thông tin lưu trữ một cách chính xác và nhanh chóng.
Hình 3.8: Công nghệ RFID Nguyên lý hoạt động
Kỹ thuật RFID sử dụng công nghệ truyền thông không dây để truyền tải dữ liệu từ các thẻ RFID đến các bộ đọc Các thẻ này có thể được gắn vào hoặc đính kèm vào các đối tượng cần nhận dạng, chẳng hạn như hàng hóa.
Công nghệ RFID (Nhận diện tần số vô tuyến) sử dụng thẻ gắn chip để truyền tín hiệu đến anten, cho phép quét và thu thập dữ liệu mà không cần tiếp xúc Khi hàng hóa có gắn thẻ đi qua vùng phát sóng, thông tin từ chip được gửi đến máy tính điều khiển để xử lý RFID giúp cải thiện quy trình nghiệp vụ và quản lý trong doanh nghiệp thông qua khả năng kiểm soát và giám sát hiệu quả Việc sử dụng thẻ RFID cho phép doanh nghiệp nâng cao năng suất và doanh thu, đồng thời giảm chi phí lao động Chỉ cần gắn thẻ vào đối tượng cần quản lý, hệ thống sẽ tự động theo dõi vị trí và hoạt động của đối tượng đó Ví dụ, thẻ RFID có thể được đặt trên kính chắn gió xe hơi để hệ thống thu phí đường bộ hoạt động nhanh chóng và hiệu quả.
Các thành phần chính c a RFIDủ : Trong một hệ thống RFID, 2 thành phần quan trọng nhất là:
Trên Tag và Reader đều có Anten
Hệ thống RFID bao gồm Tag và Reader, giao tiếp với nhau ở cùng một tần số Việc sử dụng sóng radio trong RFID ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu và khoảng cách giữa Tag và Reader, phụ thuộc vào tần số Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, các hệ thống RFID sử dụng nhiều dải tần số khác nhau, trong đó có ba dải tần số thông dụng.
+ Tần số ấ th p (LF) (Kho ng 100kHz – ả 150kHz)
Thẻ RFID cơ bản bao gồm một mạch tích hợp (IC) kết hợp với một ăng ten được in, khắc hoặc dán trên bề mặt làm từ giấy hoặc polyethylene Terephthalate (PET) Khi chip và ăng ten được kết nối, chúng sẽ được kích hoạt Sau đó, thẻ RFID được kẹp giữa một nhãn in và được củng cố bằng lớp nhựa hoặc keo chuyên dụng, hoặc có thể được khảm vào một khung bảo vệ để tăng cường độ bền.
Thẻ Tag RFID bao gồm một chip tích hợp (IC) với bộ nhớ và các tính năng mở rộng, cho phép lưu trữ thông tin duy nhất thông qua mã số mà nhà sản xuất thiết kế Chip này ghi chép dữ liệu để theo dõi hàng hóa tương ứng với mã số trong chip, được gọi là mã sản phẩm điện tử Đầu đọc RFID, hay còn gọi là bộ thu, là thiết bị dùng để kết nối và tương tác giữa dữ liệu trong thẻ và hệ thống quản lý của doanh nghiệp Người sử dụng có thể kiểm soát thông qua các thao tác như kiểm kê, lọc tìm kiếm và ghi nhận thông tin Đầu đọc RFID sử dụng anten để thu thập dữ liệu từ thẻ và chuyển tiếp về máy tính để xử lý Có nhiều loại đầu đọc RFID với kích thước khác nhau, có thể gắn cố định tại cửa hàng hoặc tích hợp vào thiết bị di động như máy quét cầm tay Ngoài ra, đầu đọc RFID cũng có thể được nhúng vào các thiết bị điện tử và linh kiện khác.
Đầu đọc RFID và ăng-ten trong thẻ RFID hoạt động cùng nhau để thực hiện việc đọc dữ liệu Ứng dụng của ăng-ten đầu đọc chuyển đổi dòng điện thành sóng điện từ, sau đó sóng này được chiếu tới ăng-ten thẻ để nhận diện ăng-ten thẻ RFID cũng có nhiều loại khác nhau, vì vậy cần lựa chọn ăng-ten đầu đọc phù hợp với nhu cầu sử dụng và môi trường hoạt động.
Hai loại ăng ten phổ biến nhất là ăng ten tuyến tính và ăng ten tròn phân cực Ăng ten tuyến tính phát xạ tia tuyến tính với phạm vi lan tỏa rộng và tần số cao, giúp tín hiệu nhận dạng xâm nhập qua các chất liệu khác nhau để đọc thẻ RFID Loại ăng ten này thường nhạy cảm với các thành phần định hướng, và hiệu suất có thể bị ảnh hưởng bởi góc và vị trí của ăng ten trên thẻ RFID Ngược lại, ăng ten tròn phân cực có độ nhạy định hướng thấp hơn, nhưng lại không cung cấp năng lượng điện cao như ăng ten tuyến tính.
Việc chọn loại ăng-ten phù hợp phụ thuộc vào phạm vi khoảng cách giữa đầu đọc RFID và các thẻ cần nhận dạng Phạm vi này được gọi là phạm vi đọc Ăng-ten của đầu đọc RFID hoạt động hiệu quả trong khoảng cách ngắn hoặc tầm xa Trong trường hợp phạm vi đọc là tầm ngắn, khoảng cách để đầu đọc có thể quét thẻ thường thấp hơn 30cm Ứng dụng cơ chế ghép từ tính giúp ăng-ten đầu đọc tương tác nhanh, chính xác và hiệu quả hơn với thẻ RFID.
70 quét thẻ ẽ s không b nh hư ng hay bị ả ở ị ả c n trở ở b i các v t liậ ệu khác như ch t ấ điện môi, nư c và kim lo i xu t hi n xen giữớ ạ ấ ệ a trong ph m vi này ạ
Hoạt động của hệ thống RFID diễn ra khi thẻ RFID được đưa vào vùng hoạt động của đầu đọc RFID Tại đây, sóng vô tuyến phát ra từ đầu đọc sẽ cung cấp cho thẻ RFID một dòng điện nhỏ, kích hoạt hệ thống mạch bên trong thẻ Điều này cho phép thẻ gửi tín hiệu hồi đáp và thực hiện việc trao đổi dữ liệu theo yêu cầu của bộ điều khiển, kết nối với đầu đọc RFID.
Sau khi nhận đư c dữ liệu tợ ừ ẻ ộ ề th b đi u khiển sẽ đưa ra các yêu c u đi u ầ ề khiển tùy vào từng ứng dụng cụ ể th
Hình 3.12: Mô hình truy n nhề ận RFID Ứng d ng c a h th ng RFID: H ụ ủ ệ ố ệ thống RFID đư c ứng dụng rất rộng ợ rãi vào rất nhiều lĩnh v c đự ời sống như:
+ Trong vận chuy n và phân ph i lưu thông: kiểể ố m soát xe c , thu phí ộ đường b , ki m soát hành lý,hành khách… ộ ể
+ Trong kinh doanh bán lẻ: RFID có th thay th công ngh mã v ch, ể ế ệ ạ giúp lưu giữ nhi u thông tin v sảề ề n ph m hơn… ẩ
+ Trong quản lý nhân s và ch m công nhân viên… ự ấ
+ Ngoài ra còn rất nhiều ứng dụng khác của RFID như úng dụng trong khóa c a thông minh, ngôi nhà thông minh…ử
Trong hệ thống kiểm soát ra vào, quyền truy cập của mỗi người được lưu trữ và xác định bằng một con số duy nhất trên thẻ RFID Khi hệ thống nhận thông tin từ đầu đọc thẻ, nó sẽ tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu để kiểm tra quyền truy cập của người đó Nếu người này có quyền, hệ thống sẽ gửi tín hiệu mở cửa.
RFID được ứng dụng để nhận diện khách hàng tại các trung tâm chăm sóc sức khỏe, quản lý động vật trong các hệ thống sinh vật sống, hỗ trợ sinh viên trong việc bảo quản tài sản bằng tủ đựng, và giúp taxi kiểm soát quyền ra vào khu vực đón khách tại sân bay.
Công nghệ RFID được ứng dụng trong hệ thống quản lý hàng hóa trực tuyến, giúp theo dõi đàn gia súc trong quá trình cho ăn và vắt sữa, đồng thời tối ưu hóa việc phát hiện nguồn nhiệt Ngoài ra, RFID cũng được sử dụng để kiểm soát phương tiện giao thông như xe buýt, taxi và xe cấp cứu, đảm bảo lưu thông an toàn và thuận tiện đến các trạm dừng Trong lĩnh vực bán lẻ, RFID đảm bảo an toàn cho hàng hóa và hỗ trợ kiểm tra hàng hóa hiệu quả Các bộ phận vận chuyển sử dụng RFID để theo dõi kiện hàng trong kho và trong suốt quá trình vận chuyển.
Thẻ RFID là công nghệ hiện đại được gắn lên các sản phẩm như quần áo, giày dép, và ô tô, giúp các công ty quản lý hàng hóa từ xa hiệu quả hơn RFID không chỉ thay thế mã vạch mà còn cung cấp thông tin chi tiết về nguồn gốc sản phẩm, giúp nhà cung cấp và nhà bán lẻ nắm bắt chính xác tình hình hàng hóa trên quầy và trong kho Với RFID, các công ty bán lẻ không còn lo lắng về việc kiểm kho hay giao nhầm hàng, đồng thời có thể theo dõi số lượng và loại sản phẩm đang kinh doanh dễ dàng hơn Hơn nữa, công nghệ này còn cho phép xác định chính xác những mặt hàng mà khách hàng mang theo khi ra vào cửa hàng.
PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH NG D NG IOT Ứ Ụ
Thiế ế ệ t k h module ph n cứng 84 ầ 1 Sơ đồ kh i 84 ố 2 Sơ đồ ạ m ch nguyên lý
Hình 4.2: Sơ đồ khố ổi t ng quan h thống ệ
85 Hìn 4.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển công suất
Hình 4.4: Sơ đồ khố ệ ối h th ng điều khi n c a RFID ể ử
4.2.2 Sơ đồ ạ m ch nguyên lý
H ệthống điều khiển công suất
Hình 4.5: Sơ đồ ạ m ch nguyên lý h thốệ ng điều khi n công suất ể
Hình 4.6: Sơ đồ mạch nguyên lý kh i ngu n ố ồ
+ S dử ụng nguồn đi n dân dụng 220V AC, 50 60Hz làm điệệ - n áp đ u vào, ầ đồng th i làm đi n áp đ u ra đ đi u khi n thiế ịờ ệ ầ ể ề ể t b
+ S dử ụng module Hi link có đầu vào là 100 240V AC, 50 60Hz; đầu ra - - - là 5V DC/3W
Chức năng: Cung c p nguồn ra 5V DC cho hệ ốấ th ng
Hình 4.7: Bộ nguồn Hi-Link
Khố ửi x lý trung tâm
Sơ đồ mạch nguyên lý khi sử dụng điều khiển ESP8266 V12E trên kit Node MCU thể hiện cách thức hoạt động của hệ thống Node MCU sẽ xử lý toàn bộ các hoạt động chức năng của hệ thống, đảm bảo hiệu suất và tính năng tối ưu.
Hình 4.10: Sơ đồ ạ m ch nguyên lý khối bắt điểm 0 Thiế ết k :
+ S dử ụng đi n áp 220V AC làm nguồệ n đ u vào.ầ
+ Diode cầu đ chuy n đi n áp t xoay chiể ể ệ ừ ều v 1 chiề ều
+ Opto PC817 có tác dụng b o vả ệ ạ m ch do điện áp
Sử dụng LM358 để khuếch đại tín hiệu trước khi vào vi điều khiển là một giải pháp hiệu quả Chức năng chính của nó là tạo xung bắt đầu từ mức 0 trong mạch, qua đó điều khiển góc mở của Triac nhằm thay đổi công suất.
Hình 4.11: Sơ đồ ạ m ch nguyên lý khối thu hồng ngoại
Thiết kế: Sử ụ d ng LED thu hồng ngo i IR 1838 đ có th thu đư c sóng ạ ể ể ợ hồng ngoại từ Remote.
Chức năng: Nh n tín hi u hồng ngoạ ừ ềậ ệ i t đi u khiển
Hình 4.12: Mắt thu hồng ngoại 1838T
Hình 4.13: Sơ đồ ạ m ch nguyên lý kh i c m biến DHT11 ố ả
Thiế ế ử ụt k : s d ng cảm biển nhiệ ột đ và đ m ộ ẩ DHT11.
Chức năng: Đo nhi t đ , đ m và truyệ ộ ộ ẩ ền tín hi u vệ ề khối xử lý trung tâm
Hình 4.14: Cảm biến nhiệ ộ ộ ẩt đ , đ m DHT11 Khối điều khiển
Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển sử dụng hai con Triac MOC3021 và BTA16, tạo thành bộ ghép quang-triac để dẫn dòng điện dân dụng Thiết kế này cho phép đóng-cắt mà không gây ra tiếng kêu, đồng thời có khả năng cho phép dòng điện công suất cao đi qua mà không lo hiện tượng hỏng hóc như ở module Rơ-le.
Chức năng: b t t t các thi t b xoay chi u theo điều khiển của vi xử lý ậ ắ ế ị ề
Hình 4.16: MOC3021(Trái) vàBTA16 (Phải) Khối th i gian th c ờ ự
Hình 4.17: Sơ đồ ạ m ch nguyên lý kh i th i gian thực ố ờ
Thiế ế ử ụt k : s d ng chíp thời gian thực DS1307, 1 pin 3.3V
Chức năng của thiết bị là đếm thời gian thực, cho phép điều khiển hẹn giờ ngay cả khi không có kết nối WiFi Pin 3.3V giúp duy trì hoạt động của IC trong trường hợp mất điện.
Hình 4.18: IC thời gian thực DS1307
Hình 4.19: Sơ đồ ạ m ch nguyên lý kh i c nh báo ố ả
Thiế ế ử ụt k : s d ng còi chip báo đ ng 5V DC ộ
Chức năng: báo hiệu cho người dùng khi có tr ng thái thi t b thay đ i ạ ế ị ổ
H ệthống điều khiển cửa RFID
Hình 4.21: Sơ đồ ạ m ch nguyên lý h thệ ống điều khi n c a RFID ể ử
Thiết kế và chức năng tương tự ớ v i khối nguồn đã giới thiệu trong hệ thống đi u khi n công suề ể ất
Khố ửi x lý trung tâm
Hình 4.22: Sơ đồ ạ m ch nguyên lý kh i x ố ửlý trung tâm Thiế ế ử ụt k : S d ng kit NodeMCU có tích h p vi đi u khi n ESP8266 V12Eợ ề ể (Hình 4.9)
Chức năng: X lý toàn bộử các tác v v i ph n c ng Vi đi u khi n đư c ụ ớ ầ ứ ề ể ợ hàn cố đị nh trên đ PCB có tích h p IC nguồế ợ n AMS1117 tạo ra đi n áp 3.3V ệ
Thiế ế ử ụt k : S d ng module RFID RC522 (Hình 3.13)
Chức năng: Đ c th b t t t thi t b ọ ẻ để ậ ắ ế ị
Khối điều khiển thiết bị
Hình 4.23: Sơ đồ ạ m ch nguyên lý khối điều khiển thiết bị Thiế ết k : Dùng 1 Relay 12V có cách ly quang
Chức năng: B t t t thi t b 1 chi u ho c xoay chiậ ắ ế ị ề ặ ều
H ệthống điều khiển đèn cầu thang
Hình 4.24: Sơ đồ ạ m ch nguyên lý h thệ ống điều khiển đèn cầu thang
Thiết kế và chức năng tương tự kh i nguố ồn đã giới thi u trong h th ng ệ ệ ố điều khiển công suất
Khố ửi x lý trung tâm
S dử ụng module xử lý trung tâm với thiết kế và chức năng như đã gi i ớ thiệu trong hệ ốth ng đi u khi n công suề ể ất
Khối điều khiển thiết bị
Thiết kế và ch c năng tương tựứ kh i đi u khi n thiố ề ể ết bị đã giới thiệu trong h ệ thống đi u khi n cề ể ửa RFID
Khối thu phát hồng ngo i ạ
Thiế ế ử ụt k : S d ng 1 cặp thu phát h ng ngoại ồ
+ VCC : 3.3V - 5V (có thể dùng nguồn trực tiếp từ vi điều khiển)
+ Khoảng cách phát hi n v t c n :- 30cm (Kho ng cách có th đi u ch nh ệ ậ ả ả ể ề ỉ bằng biến trở tinh chỉnh)
+ Đầu ra có th k t n i tr c ti p v i các chân I/O c a vi đi u khi n ho c ể ế ố ự ế ớ ủ ề ể ặ dùng điều khiển Relay
+ IC so sánh LM393 hoạ ột đ ng ổn định
Chức năng: Xác đ nh ngư i đi qua c u thang ị ờ ầ
Hình 4.25: Module thu phát hồng ngoại 4.2.3 M ạ ch in và s ả n ph ẩ m th c t ế ự
Hình 4.26: Mạch in 2 l p c a mớ ủ ạch điều khiển công suất
95 Hình 4.27: Lớp Top và Bottom c a mủ ạch in (mạch điều khiển công suất)
Hình 4.28: Mô hình mạch 3D (mạch điều khi n công suể ất)
Hình 4.29: Mô hình mạch 3D (mạch điều khi n cể ửa RFID)
Hình 4.30: S n phả ẩm mạch điều khiển công su t ấ
Hình 4.31: S n phả ẩm mạch điều khiển cửa RFID
4.3 Thiết kế ộ ứ b ng dụng điều khiển
Android Studio là phần mềm phát triển ứng dụng cho hệ điều hành Android, bao gồm các công cụ như code editor, debugger và performance tools Nó cho phép lập trình viên xây dựng ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp một cách nhanh chóng Để cài đặt Android Studio, người dùng cần thiết lập môi trường Java SDK từ trang chủ của Oracle Để tạo một dự án trong Android Studio, cần thao tác với các tệp như AndroidManifest.xml, tệp trong thư mục java và thư mục res AndroidManifest.xml là tệp quan trọng khai báo thông tin cần thiết về ứng dụng cho hệ thống Android, giúp hệ điều hành hiểu và xử lý ứng dụng khi khởi chạy.
Hình 4.32: File AndroidMandifest.xml Các file trong thư mục “res”: Là các file thiết kế phần giao diện trong Android Studio
Hình 4.33: Thiế ết k giao di n trong Android Studioệ
Trong thư mục "java", bạn sẽ tìm thấy các file chứa các package của dự án Tại đây, bạn có thể tạo các package và bên trong mỗi package là các class Các class này được viết bằng ngôn ngữ Java Core.
Hình 4.34: Các Class trong Android Studio 4.3.2 Phân tích h ệ th ố ng ứ ng d ụ ng đi ề u khi ể n
Mỗi ngôi nhà có thể được trang bị một thiết bị Android treo tường thay thế cho công tắc vật lý, cho phép điều khiển các thiết bị trong nhà Mỗi thành viên trong gia đình sẽ có một ứng dụng cài đặt trên thiết bị cá nhân, giúp họ điều khiển các thiết bị và hẹn giờ hoạt động, cũng như điều khiển các thiết bị sử dụng hồng ngoại Để sử dụng các ứng dụng này, các thành viên cần đăng nhập vào hệ thống.
Để tránh tình trạng các tài khoản bị đăng ký tràn lan và gây rối loạn hệ thống, tất cả tài khoản sử dụng ứng dụng điều khiển phải được quản lý bởi một người, thường là cha hoặc mẹ Mỗi thành viên cũng nên được điều khiển một số phòng nhất định, nhằm tránh làm phiền lẫn nhau Việc cấp quyền điều khiển cũng cần được người bảo hộ quản lý chặt chẽ.
+ Thông báo khi các thông số nhi t đ - m vư t quá ngư ng ệ ộ độ ẩ ợ ỡ
+ Thông báo khi các thông số nhi t đ - m vư t quá ngư ng ệ ộ độ ẩ ợ ỡ
+ Quản lý tài kho n: thêm, s a, xóa, ch nh s a thông tin tài kho n ả ử ỉ ử ả
+ Cấp quyền đi u khiển cho mỗề i tài kho n ả
+ Thay đổi thông tin phòng: tên phòng, ảnh đ i di n phòng ạ ệ
4.3.4 Mô hình hóa ch ức năng
Sơ đồ ho t đ ng củạ ộ a h thống: ệ
Hình 4.35: Activity Diagram hệ thống
Sơ đồ Use case và miêu t usecase ả
Người quản lý là thành viên trong gia đình, có trách nhiệm quản lý danh sách tài khoản và quyền điều khiển của hệ thống Họ cũng nắm giữ đầy đủ quyền hạn của một thành viên trong gia đình.
+ Thành viên: có quyền điều khiển thiết b , hị ẹn giờ, xem đư c các thông ợ s cố ủa hệ thống.
Hình 4.36: Sơ đồ use case h th ng ệ ố
Người quản lý là thành viên trong gia đình, có trách nhiệm quản lý danh sách tài khoản và quyền điều khiển của cả hệ thống Họ cũng sở hữu đầy đủ quyền hạn của một thành viên trong gia đình.
+ Thành viên: có quyền điều khiển thiết b , hị ẹn giờ, xem đư c các thông ợ s cố ủa hệ thống.
4.3.5 Mô hình hóa ho ạ ộ t đ ng
Biểu đ tu n tựồ ầ ho t đ ng đăng nh p: ạ ộ ậ
Người dùng sẽ đăng nhập vào tài khoản được cung cấp bởi người quản lý gia đình Người quản lý sẽ được hệ thống đăng ký một tài khoản dựa trên địa chỉ email của họ Khi người quản lý quên mật khẩu, việc tìm lại tài khoản sẽ dựa vào địa chỉ email đó.
Biểu đ tu n tựồ ầ ho t đ ng đi u khiển thiế ịạ ộ ề t b :
Hình 4.38: Biểu đồ tuầ ựn t hoạ ột đ ng điều khi n ể
Với cơ sở dữ liệu thời gian thực, việc điều khiển thiết bị trở nên đơn giản hơn Người dùng chỉ cần gửi lệnh điều khiển, và dữ liệu trên cơ sở dữ liệu sẽ được cập nhật ngay lập tức Từ đó, tất cả các module kết nối với cơ sở dữ liệu sẽ tự động thay đổi theo.
Biểu đ tu n tồ ầ ự ho t đ ng quảạ ộ n lý tài khoản và qu n lý quyả ền đi u khiển: ề
Hình 4.39: Biểu đồ tuầ ựn t hoạ ột đ ng qu n lý tài kho n và quảả ả n lý quy n ề điều khiển
Khi quản lý cấp tài khoản cho thành viên, quyền điều khiển của tài khoản mới sẽ cho phép kiểm soát tất cả các phòng trong ngôi nhà Để hạn chế phạm vi điều khiển, người quản lý sẽ thiết lập quyền điều khiển cho mỗi tài khoản trong ứng dụng quản lý.
4.3.6 Thi ế ế t k database Để xây d ng h th ng, chúng ta c n n m rõ nh ng thông tin mà h th ng ự ệ ố ầ ắ ữ ệ ố cần đ quảể n lý Dư i đây là nh ng thông tin c n có:ớ ữ ầ
+ Danh sách các phòng có quyền điều khi n ể
+ IDHome: ID ngôi nhà mà người dùng có quyền điều khiển
+ urlImage: Đường link nh đạả i di n ệ
+ Level: cấp đ hi n t i c a thi t bộ ệ ạ ủ ế ị
4.3.7 Thi ế ế t k App Android Ứng d ng Android dành cho thiế ịụ t b treo tường
App dành cho thiết bị android treo tường thay thế các công t c vật lý Yêu ắ cầu phải trực quan, dễ ử ụ s d ng đ ất cả ọể t m i ngư i đ u có thể dùng.ờ ề
Giao diện chính của ứng dụng cho thiết bị treo tường cho phép người dùng điều khiển nhiệt độ, hiển thị thông tin về nhiệt độ hiện tại và độ ẩm Ngoài ra, ứng dụng còn tích hợp chức năng tự động bật/tắt điều hòa khi nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt Việc cài đặt ngưỡng nhiệt độ được thực hiện dễ dàng thông qua phần Cài đặt trong ứng dụng.
Hình 4.41: Giao diện điều khi n công suể ất
Thiết bị như đèn và quạt sẽ có 4 mức level đi u khiển, nút có màu đỏ là ề nút đang đượ ấc n
Hình 4.42 trình bày giao diện cài đặt ngưỡng thông số Việc thiết lập ngưỡng an toàn là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả mà không vượt quá mức cho phép, tránh gây nguy hiểm Khi có sự biến động nhiệt độ lên Database, nếu nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép, ứng dụng sẽ tự động điều chỉnh bật điều hòa ở mức nhiệt độ an toàn.
Giao diện chức năng điều khiển b ng giọng nói ằ
Hình 4.43: Giao diện chức năng điều khi n bể ằng gi ng nóiọ