Xây dựng một số thí nghiệm iot ngôi nhà thông minh phục vụ việc học và làm đồ án tốt nghiệp ngành cntt và ngành điện tử viễn thông của trường đại học hòa bình

Báo cáo kết đề tài nghiên cứu khoa học TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỊA BÌNH KHOA CƠNG NGHỆ THƠNG TIN & ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Một ngành thành phần cách mạng công nghệ 4.0 Công nghệ Internet vạn vật (Internet of Things - IoT) Khác với nhiều môn học khác chuyên ngành Công nghệ thông tin (CNTT) Điện tử viễn thông (ĐTVT), ngành phải có thí nghiệm để sinh viên hiểu phần lý luận, hiểu phần ngơn ngữ lập trình biết lập trình để kết nối điều khiển đối tượng cần cho sống xây dựng nhà thông minh, xây dựng thành phố thông minh thực nghiệm Đề tài nghiên cứu Xây dựng số thí nghiệm IoT - ngơi nhà thơng minh phục vụ việc học làm đồ án tốt nghiệp ngành CNTT ngành ĐTVT Trường Đại Học Hịa Bình Xây dựng số thí nghiệm IoTngơi nhà thơng minh phục vụ việc học làm đồ án tốt nghiệp ngành CNTT ngành ĐTVT Trường Đại Học Hịa Bình Xây dựng thí nghiệm IoT a Báo cáo kết đề tài nghiên cứu khoa học MỤC LỤC PHẦN I: MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài: Tổng quan tình hình nghiên cứu 2.1 Tình hình nghiên cứu nước .1 2.2 Tình hình nghiên cứu nước Mục tiêu nghiên cứu 3.1 Mục tiêu tổng quát .2 3.2 Mục tiêu cục thể Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tượng nghiên cứu 4.2 Phạm vi nghiên cứu .3 PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ IOT (INTERNET OF THINGS) .4 1.1 Khái niệm chung 1.2 Quá trình phát triển .4 CHƯƠNG II XÂY DỰNG PHẦN MỀM 2.1 Khái niệm tự động điều khiển .6 2.2 Xây dựng phần mềm .7 a Lựa chọn phần cứng .7 b Ngơn ngữ lập trình c Ngơn ngữ lập trình arduino 13 2.3 Hướng dẫn thí nghiệm: .18 a Xây dựng thí nghiệm 1: 18 b Xây dựng thí nghiệm 20 c Xây dựng thí nghiệm 3: 21 d Xây dựng thí nghiệm 4: 24 e Xây dựng thí nghiệm 5: 32 CHƯƠNG III PHẦN MỀM MÔ PHỎNG UNOARDUSIM V.3.0 39 CHƯƠNG IV PHƯƠNG TIỆN BẢO ĐẢM THỰC NGHIỆM .42 PHẦN III: KẾT LUẬN .43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 Xây dựng thí nghiệm IoT b Báo cáo kết đề tài nghiên cứu khoa học THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI NKCH Tên đề tài NCH: Xây dựng số thí nghiệm IoT-ngơi nhà thơng minh phục vụ việc học làm đồ án tốt nghiệp ngành CNTT-Điện tử viễn thông Trường ĐHHB Loại đề tài NKCH: Cá nhân Tập thể (thuộc khoa ) Thời gian thực hiện: 12 tháng; Kinh phí thực tập: Tổng kinh phí: 30 triệu Phương thức khốn chi: Khoán đến sản phẩm cuối Khoán chi phần, đó: - Kinh phí khốn:… triệu đồng - Kinh phí khơng khốn: Chủ nhiệm đề tài NCKH: Họ tên: Nguyễn Đăng Minh Học hàm, học vị: TS Điện thoại: 0983908343 Email: ndminh@daihochoabinh.edu.vn Phòng/Trung tâm: Khoa CNTT-ĐTVT Tổ chức chủ trì: Tên tổ chức chủ trì: Trường Đại học Hịa Bình Địa chỉ: 8/Bùi Xn Phái, Nam Từ Liêm, Hà Nội Họ tên thủ trưởng tổ chức chủ trì: GS TS Tơ Ngọc Hưng Số tài khoản: Thành viên tham gia thực (bao gồm chủ nhiệm, thư ký, thành viên chính, thành viên, nhân viên hỗ trợ, nhân viên kỹ thuật ) STT Họ tên học Tổ chức Vị trí Thời gian làm việc cho đề hàm, học vị công tác nhóm thực tài NCKH/nhiệm vụ (số tháng quy đổi 1) TS Nguyễn Khoa Chủ nhiệm đề 10 Đăng Minh CNTTtài ĐTVT ThS Nguyễn Khoa Thành viên Việt Đức CNTTĐTVT Xây dựng thí nghiệm IoT c Báo cáo kết đề tài nghiên cứu khoa học PHẦN I: MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Trong cách mạng công nghiệp 4.0, IoT đánh giá ngành then chốt Nghiên cứu ngành hỗ trợ thí nghiệm góp phần nâng cao chất lượng đào tạo, tạo tự tin sinh viên trường áp dụng kiến thức học vào q trình phát triển cơng, nơng nghiệp Đáp ứng nhu cầu sống Tổng quan tình hình nghiên cứu 2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngồi Tất nước tiên tiến coi IoT số ngành then chốt cách mạng công nghiệp 4.0 Khái niệm thuật ngữ IoT lần đưa người sáng lập nhóm nghiên cứu Auto-ID Viện Cơng nghệ Massachusetts Kevin Ashton vào năm 1999 buổi thuyết trình cho lãnh đạo Procter & Gamble Bài thuyết trình nói cách triển khai toàn diện thẻ tần số vơ tuyến sửa đổi hệ thống quản lý chuỗi hậu cần tập đoàn Vào năm 2004, Science American xuất báo viết cho IoT, cho thấy rõ khả IoT ứng dụng thực tiễn Bài báo cung cấp minh họa cho thấy thiết bị gia dụng (đồng hồ báo thức, điều hịa khơng khí), hệ thống nhà (hệ thống tưới vườn) hệ thống an ninh, hệ thống chiếu sáng), cảm biến (cảm biến nhiệt, ánh sáng chuyển động) thứ khác (ví dụ, loại thuốc có dấu hiệu nhận dạng) tương tác với thông qua mạng truyền thông (hồng ngoại, khơng dây mạng có dây, điện dịng điện thấp) cung cấp quy trình thực hồn toàn tự động (bao gồm từ máy pha cà phê, máy thay đổi ánh sáng, máy nhắc nhở bện nhân thuốc, trì nhiệt độ, cung cấp nước cho khu vườn, cho phép ta tiết kiệm lượng quản lý mức tiêu thụ nó) Các biến thể trình bày q trình tự động hóa điều khiển thiết bị gia đình khơng phải thân chúng, nhấn mạnh việc kết hợp thiết bị thứ khác vào mạng máy tính phục vụ giao thức Internet coi Internet cơng nghệ đặc biệt góp phần làm cho khái niệm trở nên phổ biến 2.2 Tình hình nghiên cứu nước Tại Việt Nam IoT ứng dụng từ lâu hình thức tự động hóa hệ thống điều khiển đèn giao thông, hệ thống tưới tiêu tự động,… Tuy nhiên đến năm gần khái niệm IoT Việt Nam nhắc đến nhiều thông qua hội thảo, hội nghị xu hướng công nghệ Cisco, Intel, Hội Tin học TP HCM số công ty nước Mobiphone, DTT, Sao Bắc Đẩu Trước đó, IBM có chiến Xây dựng thí nghiệm IoT Báo cáo kết đề tài nghiên cứu khoa học dịch “Hành tinh thông minh hơn” nhấn mạnh vào thành phố thơng minh Đà Nẵng chọn thực thí điểm từ năm 2012-2013 Ở thời điểm Việt Nam có nhiều cơng ty tập trung phát triển giải pháp sản phẩm cơng nghệ thơng minh với tảng IoT Có thể kể đến tên quen thuộc thị trường dần đón nhận thời gian vừa qua như: Lumi, BKAV, SmartHome,…Một điểm chung dễ nhận thấy nhà cung cấp họ tập trung vào thiết bị cho nhà thông minh (SmartHome) hướng tới đối tượng khách hàng người sẵn sàng bỏ chi phí để tiện dụng hóa hoạt động gia đình Các sản phẩm đầu tư mặt hình thức nhằm giúp cho nhà trở nên sang trọng Dự tính tương lai IoT Việt Nam diễn cách mạnh mẽ ngày có nhiều doanh nghiệp bắt đầu triển khai dự án IoT IoT mang lại hội doanh thu cho nhiều ngành giải pháp bắt đầu thương mại hóa với tốc độ nhanh Ngành dịch vụ tiện ích, giao thơng, tịa nhà thơng minh ngành bán lẻ ngành đầu việc ứng dụng IoT Và để triển khai IoT thành công bền vững cần phải cân nhắc đến bốn yếu tố tảng phần mềm, hệ sinh thái ngành, quy trình chuẩn hóa cơng nghệ giải lo lắng khách hàng liên quan đến đảm bảo tính riêng tư an tồn Tại Trường Đại học Hịa bình, sinh viên, học viên cao học bước đầu làm quen với IoT qua việc hợp tác với Hội Hàng không Vũ trụ Việt nam thực đề tài ngiên cứu cấp nhà nước thiết kế, chế tạo máy bay không người lái, tham gia thi sinh viên nước sử dụng vi điều khiển SG-8, Arduino intel Có sản phẩm vào chung kết Mục tiêu nghiên cứu 3.1 Mục tiêu tổng quát Xây dựng thiết bị bao gồm cài đặt ngơn ngữ lập trình, lựa chọn thiết kế phần cứng , viết phần mềm, chạy mô phỏng…để từ thiết bị chế tạo biến thành dụng cụ học tập truyền đạt kiến thức, kỹ liên quan đến Vi điện tử, đến cảm biến, đến giao thức, đến lập trình, đến test phần mềm cách thực tiễn cho sinh viên phạm vi hạn chế sở vật chất Trường Tập khai thác thông tin để thiết lập thiết bị dẫn đường nhờ vệ tinh cảm biến trạng thái gyroscope 3.2 Mục tiêu cục thể a) Cài đặt ngôn ngữ lập trình sau đây: Processing, arduino, unoardusim b) Thiết kế thiết bị dạng thiết bị thí nghiệm: Xây dựng thí nghiệm IoT Báo cáo kết đề tài nghiên cứu khoa học 1) Thiết bị phát người khơng gian định(để đóng mở cửa, báo an ninh,…); 2) Thiết bị tự động tưới cây; 3) Thiết bị tự động bật, tắt đèn; 4) Thiết bị hỗ trợ điều kiển tự động điều khiển từ xa phương tiện bay không người lái 5) Các thiết bị xây dựng bao gồm phần cúng, viết phần mềm, test để chúng hoạt động bình thường Trọng tâm thiết bị Thiết bị hỗ trợ điều kiển tự động điều khiển từ xa phương tiện bay khơng người lái phức tạp sử dụng đa dạng kiến thức Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tượng nghiên cứu Khi thực đề tài cần kiến thức cụ thể lĩnh vực sau a) Vi điều khiển, b) Tự động hóa, c) Lập trình ngơn ngữ Assemply, d) Lập trình ngơn ngữ Arduino, e) Lập trình ngơn ngữ processing, f) Điều khiển phương tiện bay Không người lái, g) Khai thác cảm biến cơ-điện tử, GPS Các đối tượng cần nghiên cứu có liên hệ nhiều đến việc thực đề tài cần thiết phải áp dụng hợp lý 4.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu đối tượng cụ thể để thiết kế, chế tạo viết phần mềm cho thiết bị hoạt động theo yêu cầu đề lúc thiết kế Việc nghiên cứu lý thuyết, lắp đặt thiết bị, sửa phần mềm, test Hồn thiện thiết bị để sẵn sàng sử dụng chúng việc hướng dẫn sinh viên thiết kế thiết bị khác Xây dựng thí nghiệm IoT Báo cáo kết đề tài nghiên cứu khoa học PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ IOT (INTERNET OF THINGS) 1.1 Khái niệm chung Tất nước tiên tiến coi IoT số ngành then chốt cách mạng công nghiệp 4.0 Khái niệm thuật ngữ IoT lần đưa người sáng lập nhóm nghiên cứu Auto-ID Viện Cơng nghệ Massachusetts Kevin Ashton vào năm 1999 buổi thuyết trình cho lãnh đạo Procter & Gamble Bài thuyết trình nói cách triển khai toàn diện thẻ tần số vơ tuyến sửa đổi hệ thống quản lý chuỗi hậu cần tập đoàn Vào năm 2004, Science American xuất báo viết cho IoT, cho thấy rõ khả IoT ứng dụng thực tiễn Bài báo cung cấp minh họa cho thấy thiết bị gia dụng (đồng hồ báo thức, điều hịa khơng khí), hệ thống nhà (hệ thống tưới vườn) hệ thống an ninh, hệ thống chiếu sáng), cảm biến (cảm biến nhiệt, ánh sáng chuyển động) thứ khác (ví dụ, loại thuốc có dấu hiệu nhận dạng) tương tác với thông qua mạng truyền thông (hồng ngoại, khơng dây mạng có dây, điện dịng điện thấp) cung cấp quy trình thực hồn toàn tự động (bao gồm từ máy pha cà phê, máy thay đổi ánh sáng, máy nhắc nhở bện nhân thuốc, trì nhiệt độ, cung cấp nước cho khu vườn, cho phép ta tiết kiệm lượng quản lý mức tiêu thụ nó) Các biến thể trình bày q trình tự động hóa điều khiển thiết bị gia đình khơng phải thân chúng, nhấn mạnh việc kết hợp thiết bị thứ khác vào mạng máy tính phục vụ giao thức Internet coi Internet cơng nghệ đặc biệt góp phần làm cho khái niệm trở nên phổ biến 1.2 Quá trình phát triển Tại Việt Nam IoT ứng dụng từ lâu hình thức tự động hóa hệ thống điều khiển đèn giao thông, hệ thống tưới tiêu tự động,… Tuy nhiên đến năm gần khái niệm IoT Việt Nam nhắc đến nhiều thông qua hội thảo, hội nghị xu hướng công nghệ Cisco, Intel, Hội Tin học TP HCM số công ty nước Mobiphone, DTT, Sao Bắc Đẩu Trước đó, IBM có chiến dịch “Hành tinh thông minh hơn” nhấn mạnh vào thành phố thơng minh Đà Nẵng chọn thực thí điểm từ năm 2012-2013 Ở thời điểm Việt Nam có nhiều công ty tập trung phát triển giải pháp sản phẩm cơng nghệ thơng minh với tảng IoT Có thể kể đến tên quen thuộc thị trường dần đón nhận thời gian vừa qua như: Lumi, BKAV, SmartHome,… Một điểm chung dễ nhận thấy nhà cung cấp họ tập trung vào thiết bị cho nhà thông minh (SmartHome) hướng tới đối tượng khách hàng người sẵn sàng bỏ chi phí để tiện dụng hóa hoạt động gia đình Các Xây dựng thí nghiệm IoT Báo cáo kết đề tài nghiên cứu khoa học sản phẩm đầu tư mặt hình thức nhằm giúp cho nhà trở nên sang trọng Dự tính tương lai IoT Việt Nam diễn cách mạnh mẽ ngày có nhiều doanh nghiệp bắt đầu triển khai dự án IoT IoT mang lại hội doanh thu cho nhiều ngành giải pháp bắt đầu thương mại hóa với tốc độ nhanh Ngành dịch vụ tiện ích, giao thơng, tịa nhà thơng minh ngành bán lẻ ngành đầu việc ứng dụng IoT Và để triển khai IoT thành cơng bền vững cần phải cân nhắc đến bốn yếu tố tảng phần mềm, hệ sinh thái ngành, quy trình chuẩn hóa cơng nghệ giải lo lắng khách hàng liên quan đến đảm bảo tính riêng tư an tồn Tại Trường Đại học Hịa bình, sinh viên, học viên cao học bước đầu làm quen với IoT qua việc hợp tác với Hội Hàng không Vũ trụ Việt nam thực đề tài nghiên cứu cấp nhà nước thiết kế, chế tạo máy bay không người lái, tham gia thi sinh viên nước sử dụng vi điều khiển SG-8, Arduino intel Có sản phẩm vào chung kết Đề tài: Xây dựng số thí nghiệm IoT-ngôi nhà thông minh phục vụ việc học làm đồ án tốt nghiệp ngành CNTT ngành Điện tử viễn thơng Trường Đại Học Hịa Bình Đề cương nghiên cứu kèm theo cuối tài liệu Xây dựng thí nghiệm IoT Báo cáo kết đề tài nghiên cứu khoa học CHƯƠNG II XÂY DỰNG PHẦN MỀM Phần mềm cho hầu hết thiết bị điều khiển tự động có phần mềm cho đối tượng thuộc IoT phụ thuộc vào phần cứng Phần lớn phần cứng dùng IoT dùng vi điều khiển (Microcontroller) kết hợp độc lập với xử lý (Microprocessor) Sơ đồ chức Vi xử lý Cấu trúc Von Neumann Để lập trình cho Microcontroller người ta sử dụng ngơn ngữ lập trình khác Chính trước xây dựng phần mềm cần thiết phải lựa chọn phần cứng Vi điều khiển (thường tần số clock thấp nhiều so với tham số vi xử lý): ROM RAM 2.1 Khái niệm tự động điều khiển Một thiết bị IoT tối thiểu phải gồm phần cứng có nhiều vi xử lý Vi điều khiển, cảm biến(nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, phát vật cản, ), cổng giao tiếp RS-232, I2C,USB, cổng số thiết bị thị, thiết bị chấp hành Điều khiển toàn thiết bị theo chức phần mềm nạp vào nhớ Vi xử lý, vi điều khiển Xây dựng thí nghiệm IoT Báo cáo kết đề tài nghiên cứu khoa học Ví dụ điển hình thiết bị IoT Đ/K từ xa Board Arduino(uno, atmega2560, ) Cảm biến Cảm biến Chỉ thị Cơ cấu chấp hành Hoặc 89c51RD2 Hình: Ví dụ điển hình IoT 2.2 Xây dựng phần mềm a Lựa chọn phần cứng Sơ đồ chức thiết bị IoT gần với sơ đồ chức thiết tự động điều khiển điển hình Hình: Bộ nạp điện tự động Một nạp điện cần: Nguồn điện xoay chiều, nắn điện chiều, mạch đo điện áp, mạch đo dòng điện nạp Khi điện áp nạp đủ Mạch tự động ngắt thêm vào cảm biến chế ngắt mạch Xây dựng thí nghiệm IoT