Nghiên cứu, thiết kế hệ thống Điều khiển thiết bị Điện dùng bluetooth, IOT Nghiên cứu, thiết kế hệ thống Điều khiển thiết bị Điện dùng bluetooth
TỔNG QUAN
Khái niệm về hệ thống IOT
IoT là viết tắt của “Internet of Things”, đề cập đến hàng tỷ thiết bị vật lý trên khắp thế giới hiện được kết nối với internet, tất cả đều thu thập và chia sẻ dữ liệu Các thiết bị vật lý này được thêm các cảm biến, được lập trình hoặc sử dụng bất kỳ một công nghệ nào đó, cho phép chúng giao tiếp dữ liệu thời gian thực mà không cần đến con người Nhờ sự xuất hiện của chip máy tính siêu rẻ và sự phổ biến của mạng không dây, có thể biến mọi thứ, từ nhỏ như viên thuốc đến lớn như máy bay, thành một phần của IoT.
1.1.2 Cấu trúc của hệ thống IOT
IoT có kiến trúc không được thống nhất trên toàn cầu Thế nhưng định dạng cơ bản và phổ biến rộng rãi nhất là cấu trúc IoT ba lớp Mô hình được giới thiệu lần đầu tiên ở các nghiên cứu sớm nhất về Internet of Things gồm ba tầng: Perception, Network, và Application.
Application: lớp ứng dụng chịu trách nhiệm cung cấp các dịch vụ, ứng dụng cụ thể cho người dùng tương tác Ví dụ khi triển khai nhà thông minh, trong đó người dùng nhấn vào một nút trong ứng dụng để bật máy pha cà phê.
Network: dữ liệu được thu thập cần được truyền và xử lý Lớp mạng kết nối các thiết bị ở trên với các đối tượng thông minh, máy chủ và thiết bị mạng khác.
Perception: chính là lớp vật lý của kiến trúc, nơi tồn tại các cảm biến và các thiết bị được kết nối thu thập nhiều lượng dữ liệu khác nhau theo nhu cầu của dự án Tầng này bao gồm các thiết bị biên (edge), cảm biến và thiết bị truyền động tương tác với môi trường.
Hình 1.1: Mô hình IoT 1.1.3 Cách thức IOT vận hành
Một hệ sinh thái IoT bao gồm các thiết bị web-enabled (web kích hoạt) thông minh được nhúng vào trong hệ thống, chẳng hạn như bộ xử lý, cảm biến và phần cứng truyền thông, để thu thập, gửi và thực hiện hành động trên dữ liệu mà chúng thu thập được Dữ liệu thu thập có thể đơn giản là nhiệt độ, độ ẩm hoặc phức tạp hơn là video, hình ảnh…
Các thiết bị IoT chia sẻ dữ liệu cảm biến mà chúng thu thập được bằng cách kết nối với cổng IoT hoặc thiết bị cảm biến khác, nơi dữ liệu được gửi lên cloud (đám mây) để phân tích hoặc phân tích cục bộ Đôi khi, các thiết bị này giao tiếp với các thiết bị liên quan khác và hoạt động dựa trên thông tin chúng nhận được từ nhau Các thiết bị thực hiện hầu hết công việc mà không có sự can thiệp của con người, mặc dù mọi người có thể tương tác với các thiết bị.
Các giao thức kết nối, mạng và cách thức giao tiếp được sử dụng với các thiết bị web-enabled này phần lớn phụ thuộc vào các ứng dụng IoT cụ thể được triển khai.
IoT cũng có thể tận dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và máy học để giúp cho quá trình thu thập dữ liệu trở nên dễ dàng và chủ động hơn.
Hình 1.2: Cách thức vận hành hệ thống IOT
Thiết bị đeo thông minh (Wearable)
Phân tích dữ liệu lớn (Big Data Analytics)
Máy đọc mã vạch thông minh
Tác động của IOT rất đa dạng, trên các lĩnh vực: quản lý hạ tầng, y tế, xây dựng và tự động hóa, giao thông Nhà thông minh là một ví dụ điển hình vềIoT Trong ngôi nhà thông minh các thiết bị điện tử dân dụng như đèn, quạt,máy lạnh có thể được kết nối với nhau thông qua mạng internet Sự kết nối này cho phép người dùng vận hành các thiết bị này từ xa Một ngôi nhà thông minh có khả năng điều khiển ánh sáng, quản lý năng lượng, mở rộng và truy cập từ xa.
Internet của những thứ thiết bị như máy móc và cảm biến dự kiến sẽ tạo ra 79,4 Zettabyte dữ liệu vào năm 2025, được dự đoán bởi IDC (International Data Corporation) Ngoài ra, IOT sẽ tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 28,7% so với năm 2020 đến năm 2025.
Theo dự báo của Phòng nghiên cứu statista, 75,44 tỷ thiết bị sẽ được kết nối với IOT trên toàn thế giới vào năm 2025 Công nghệ internet IOT là bước quan trọng tiếp theo trong việc biến thế giới thành một nơi kết nối.
Vì thế, Internet of Thing đang là chìa khóa của thành công trong tương lai.
1.1.5 Thách thức trong việc triển khai hệ thống IOT
Các lỗ hổng bảo mật (quyền riêng tư, phá hoại, từ chối dịch vụ): Việc các hacker tấn công vào các mục tiêu quan trọng sẽ khiến mối nguy hiểm này rất lớn Rõ ràng, hậu quả của việc phá hoại và từ chối dịch vụ có thể nghiêm trọng hơn nhiều so với xâm nhập quyền riêng tư cá nhân Nếu có sự thay đổi tỷ lệ pha trộn chất khử trùng tại nhà máy xử lý nước hoặc dừng hệ thống làm mát tại nhà máy điện hạt nhân có khả năng khiến cả thành phố gặp nguy hiểm ngay lập tức.
Tính quyết định của mạng: Điều này rất quan trọng đối với hầu hết các lĩnh vực có thể sử dụng IoT, như trong các ứng dụng điều khiển, bảo mật, sản xuất, vận chuyển, cơ sở hạ tầng nói chung và các thiết bị y tế Việc sử dụng đám mây hiện tại có độ trễ khoảng 200 mili giây trở lên Điều này phù hợp cho hầu hết các ứng dụng, nhưng không phải cho bảo mật hoặc các ứng dụng khác yêu cầu phản hồi nhanh chóng, cần lập tức Ví dụ như một kích hoạt từ hệ thống giám sát an ninh nhận được sau năm giây có thể là quá muộn.
Thiếu một kiến trúc và tiêu chuẩn hóa chung: Sự phân mảnh liên tục trong quá trình triển khai IoT sẽ làm giảm giá trị và tăng chi phí cho người dùng cuối.Hầu hết các sản phẩm đều nhắm mục tiêu các lĩnh vực rất cụ thể Một số nguyên nhân của sự phân mảnh này là do lo ngại về bảo mật và quyền riêng tư, cố gắng chiếm lĩnh thị trường, cố gắng tránh các vấn đề với tài sản trí tuệ của đối thủ cạnh tranh và hiện tại thiếu sự lãnh đạo rõ ràng trong lĩnh vực này.
Một số chuẩn giao tiếp không dây trong IOT
Một công nghệ giao tiếp truyền thông trong khoảng cách ngắn vô cùng quan trọng, đó là Bluetooth Hiện nay, bluetooth xuất hiện hầu hết ở các thiết bị như máy tính, điện thoại/smartphone,…và nó được dự kiến là chìa khóa cho các sản phẩm IoT đặc biệt, cho phép giao tiếp thiết bị với các smartphone – một “thế lực hùng hậu” hiện nay.
Hiện nay, BLE – Bluetooth Low Energy – hoặc Bluetooth Smart là một giao thức được sử dụng đáng kể cho các ứng dụng IoT Quan trọng hơn, cùng với một khoảng cách truyền tương tự như Bluetooth, BLE được thiết kế để tiêu thụ công suất ít hơn rất nhiều.
Tuy nhiên, BLE không thực sự được thiết kế cho các ứng dụng dùng để truyền file và sẽ phù hợp hơn cho khối dữ liệu nhỏ Nó có một lợi thế vô cùng lớn trong bối cảnh hiện nay, smartphone đang là thiết bị không thể thiếu được của mỗi người Theo Bluetooth SIG, hiện có hơn 90% điện thoại smartphone được nhúng Bluetooth, bao gồm các hệ điều hành IOS, Android và Window. Tần số: 2.4GHz (ISM)
Phạm vi: 50-150m (Thông minh / BLE)
Tốc độ dữ liệu: 1Mbps (Smart / BLE)
Wifi (là viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11) là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, cũng giống như điện thoại di động, truyền hình và radio Kết nôi Wifi thường là sự lựa chọn hàng đầu của rất nhiều kỹ sư giải pháp bởi tính thông dụng và kinh tế của hệ thống wifi và mạng LAN với mô hình kết nối trong một phạm vi địa lý có giới hạn.
Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác Nó có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc
5 GHz Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn.
Tần số: băng tần 2.4GHz và 5GHz
Tốc độ dữ liệu: tối đa 600 Mbps, nhưng 150-200 Mbps là điển hình hơn, tùy thuộc vào tần số kênh được sử dụng và số lượng ăng-ten (chuẩn 802.11-ac mới nhất cung cấp 500 Mbps đến 1Gbps).
Zigbee, giống như Bluetooth, là một loại truyền thông trong khoảng cách ngắn, hiện được sử dụng với số lượng lớn và thường được sử dụng trong công nghiệp Điển hình, Zigbee Pro và Zigbee remote control (RF4CE) được thiết kế trên nền tảng giao thức IEEE802.15.4 – là một chuẩn giao thức truyền thông vật lý trong công nghiệp hoạt động ở 2.4Ghz thường được sử dụng trong các ứng dụng khoảng cách ngắn và dữ liệu truyền tin ít nhưng thường xuyên, được đánh giá phù hợp với các ứng dụng trong smarthome hoặc trong một khu vực đô thị/khu chung cư.
Zigbee / RF4CE có một lợi thế đáng kể trong các hệ thống phức tạp cần các điều kiện: tiêu thụ công suất thấp, tính bảo mật cao, khả năng mở rộng số lượng các node cao…ví dụ như yêu cầu của các ứng dụng M2M và IoT là điển hình Phiên bản mới nhất của Zigbee là 3.0, trong đó điểm nổi bật là sự hợp nhất của các tiêu chuẩn Zigbee khác nhau thành một tiêu chuẩn duy nhất Ví dụ, sản phẩm và kit phát triển của Zigbee của TI là CC2538SF53RTQT Zigbee System- On-Chip T và CC2538 Zigbee Development Kit.
Tốc độ dữ liệu: 250kbps
Z-Wave là công nghệ truyền thông RF công suất thấp chủ yếu được thiết kế để tự động hóa gia đình cho các sản phẩm như bộ điều khiển đèn và cảm biến trong số nhiều sản phẩm khác Được tối ưu hóa để giao tiếp đáng tin cậy và có độ trễ thấp đối với các gói dữ liệu nhỏ với tốc độ dữ liệu lên đến 100kbit / s, nó hoạt động ở băng tần dưới 1GHz và không bị nhiễu từ WiFi và các công nghệ không dây khác trong phạm vi 2,4 GHz như Bluetooth hoặc ZigBee Nó hỗ trợ mạng lưới đầy đủ mà không cần nút điều phối và có khả năng mở rộng rất cao, cho phép kiểm soát lên đến 232 thiết bị Z-Wave sử dụng một giao thức đơn giản hơn một số giao thức khác, có thể cho phép phát triển nhanh hơn và đơn giản hơn, nhưng chỉ có nhà sản xuất chip duy nhất là Sigma Designs so với nhiều nguồn cho các công nghệ không dây như ZigBee và những công nghệ khác.
Tốc độ dữ liệu: 9,6 / 40 / 100kbit / s
NFC (Giao tiếp trường gần) là công nghệ cho phép tương tác hai chiều đơn giản và an toàn giữa các thiết bị điện tử và đặc biệt có thể áp dụng cho điện thoại thông minh, cho phép người tiêu dùng thực hiện các giao dịch thanh toán không tiếp xúc, truy cập nội dung kỹ thuật số và kết nối các thiết bị điện tử Về cơ bản, nó mở rộng khả năng của công nghệ thẻ không tiếp xúc và cho phép các thiết bị chia sẻ thông tin ở khoảng cách nhỏ hơn 4cm.
Tốc độ dữ liệu: 100–420kbps
LoRaWAN nhắm mục tiêu vào các ứng dụng mạng diện rộng (WAN) và được thiết kế để cung cấp mạng WAN công suất thấp với các tính năng đặc biệt cần thiết để hỗ trợ giao tiếp hai chiều an toàn di động chi phí thấp trong IoT, M2M và thành phố thông minh và các ứng dụng công nghiệp Được tối ưu hóa để tiêu thụ điện năng thấp và hỗ trợ các mạng lớn với hàng triệu triệu thiết bị, tốc độ dữ liệu nằm trong khoảng từ 0,3 kbps đến 50 kbps.
Phạm vi: 2-5km (môi trường nội thành), 15km (môi trường ngoại thành)
Tốc độ dữ liệu: 0,3-50 kbps
Bất kỳ ứng dụng IoT nào yêu cầu hoạt động trên khoảng cách xa hơn đều có thể tận dụng khả năng giao tiếp di động GSM / 3G / 4G Mặc dù mạng di động rõ ràng có khả năng gửi số lượng lớn dữ liệu, đặc biệt là đối với 4G, chi phí và mức tiêu thụ điện năng cũng sẽ quá cao đối với nhiều ứng dụng, nhưng nó có thể lý tưởng cho các dự án dữ liệu băng thông thấp dựa trên cảm biến sẽ gửi rất thấp lượng dữ liệu qua Internet.
Hình 1.9: Các thế hệ của công nghệ truyền thông di động
Phạm vi: tối đa 35km cho GSM; Tối đa 200km đối với HSPA
Tốc độ dữ liệu (tải xuống thông thường): 35-170kps (GPRS), 120-384kbps
(EDGE), 384Kbps-2Mbps (UMTS), 600kbps-10Mbps (HSPA), 3-10Mbps
Một số chuẩn giao tiếp có dây trong IOT
I2C là viết tắt của bus “Mạch tích hợp liên kết – Inter-integrated circuit”.
Nó được phát triển cho tivi bởi Philips Semiconductor, 1980.
Trong các thiết bị I2C, bộ xử lý, EEPROM, cảm biến, đồng hồ thời gian thực được sử dụng làm giao diện điều khiển và thiết bị I2C cũng có thể có dữ liệu riêng biệt Giao diện (bộ chỉnh TV kỹ thuật số, bộ giải mã video, bộ xử lý âm thanh…) Có 3 loại I2C dựa trên tốc độ: Chậm (dưới 100 Kbps), Nhanh (400Kbps), Tốc độ cao (3,4 Mbps).
Như bạn có thể thấy trong hình trên, có hai đường dây tức là Dữ liệu nối tiếp (SDA) và Đồng hồ nối tiếp (SCL) Một số thiết bị phụ có thể được kết nối với thiết bị chính bằng I2C. Ưu điểm và nhược điểm của I2C Ưu điểm:
Hữu ích cho các thiết bị thỉnh thoảng giao tiếp.
Lược đồ địa chỉ cho phép nhiều thiết bị.
Kết nối với nhau mà không cần thêm dây.
Việc triển khai phần cứng và đặc biệt là phần mềm phức tạp hơn SPI Half-duplex.
Không thể mở rộng cho số lượng lớn thiết bị.
Các Serial Peripheral Interface bus (SPI) là một đồng bộ giao tiếp nối tiếp giao diện đặc điểm kỹ thuật được sử dụng để giao tiếp khoảng cách ngắn, chủ yếu trong các hệ thống nhúng Giao diện được phát triển bởi Motorola vào cuối những năm 1980 Các ứng dụng điển hình bao gồm thẻ Kỹ thuật số an toàn và màn hình tinh thể lỏng.
Như bạn có thể thấy trong hình trên rằng các thiết bị phụ có 4 kết nối tức là SCLK (Đồng hồ nối tiếp), MOSI (Đầu vào slave đầu ra chính), MISO (Đầu vào master đầu ra slave), SS (Chọn slave) 3 chân đầu tiên chia sẻ cùng một đường từ bộ điều khiển nhưng chân SS điều khiển thiết bị phụ nào đang hoạt động. Ưu điểm và nhược điểm của SPI: Ưu điểm:
Nhanh hơn nối tiếp không đồng bộ.
Phần cứng nhận có thể là một thanh ghi dịch chuyển đơn giản.
Yêu cầu nhiều đường tín hiệu (dây) hơn các phương thức truyền thông khác.
Thông tin liên lạc phải được xác định trước.
Chủ nhân phải kiểm soát tất cả các giao tiếp (các slave không thể nói chuyện trực tiếp với nhau).
Nó thường yêu cầu các đường SS riêng biệt cho mỗi slave, điều này có thể gây ra vấn đề nếu cần nhiều slave.
Một hệ thống kết nối một số hệ thống máy tính để tạo thành một mạng cục bộ, với các giao thức để kiểm soát việc truyền thông tin và tránh truyền đồng thời bởi hai hoặc nhiều hệ thống Công nghệ mạng LAN được sử dụng rộng rãi đầu tiên được phát triển vào giữa những năm 1970 bởi các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Xerox Palo Alto (PARC).
Mỗi card giao diện mạng Ethernet (NIC) được cấp một mã định danh duy nhất gọi là địa chỉ MAC Địa chỉ MAC bao gồm một số 48 bit Trong số 24 bit đầu tiên xác định nhà sản xuất và nó được gọi là ID nhà sản xuất hoặc Mã định danh duy nhất của tổ chức (OUI) và điều này được chỉ định bởi cơ quan đăng ký.
Hình 1.12: Giao tiếp Ethernet Ưu điểm và nhược điểm của Ethernet Ưu điểm:
Mạng lưới bắt đầu với nó và kết thúc với nó.
Đáng tin cậy và có thể được sử dụng trong một tòa nhà, không quan trọng bao nhiêu tầng.
Sẽ cần thiết chuyển đổi để giữ mạng.
Về cơ bản nó được sử dụng để tạo ra mạng LAN.
Không thể sử dụng cho mạng đường dài.
Trong một mạng tòa nhà, bạn phải kết nối Ethernet để chuyển đổi và sau đó lại dùng Ethernet để tạo nên mạng như vậy, với sự hiện diện của rất nhiều dây cáp rất khó chịu và khó quản lý.
USB là viết tắt của Universal Serial Bus, nó cung cấp một tiêu chuẩn bus nối tiếp để kết nối các thiết bị, thường là với máy tính, nhưng nó cũng được sử dụng trên các thiết bị khác như hộp giải mã tín hiệu, bảng điều khiển trò chơi và PDA.
Hình 1.13: Giao tiếp USB Ưu điểm và nhược điểm của USB Ưu điểm:
Ổ đĩa flash sử dụng ít năng lượng, không có bộ phận chuyển động dễ vỡ và đối với hầu hết các ổ đĩa đều có dung lượng nhỏ và nhẹ.
Dữ liệu được lưu trữ trên ổ đĩa flash không bị va đập cơ học, từ trường,trầy xước và bụi.
Ổ đĩa flash chỉ có thể duy trì một số chu kỳ ghi và xóa giới hạn trước khi ổ bị lỗi.
Một nhược điểm của kích thước nhỏ là chúng dễ bị thất lạc, bị bỏ lại hoặc bị mất.
UART là tên của phần cứng được sử dụng cho Giao diện nối tiếp RS-232. UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver Transmitter Các máy tính PC trước đây có chip UART, những chức năng này hiện được tìm thấy bên trong một chip lớn hơn cũng chứa các tính năng I / O khác Một UART có thể được sử dụng khi không yêu cầu tốc độ cao hoặc cần một liên kết giao tiếp rẻ tiền giữa hai thiết bị Giao tiếp UART rất rẻ, không đồng bộ vì không có tín hiệu đồng hồ nào được truyền đi.
UART thêm bit bắt đầu và bit dừng vào gói dữ liệu đang được chuyển Các bit này xác định đầu và cuối của gói dữ liệu để UART nhận biết khi nào bắt đầu đọc các bit Khi UART nhận phát hiện một bit bắt đầu, nó bắt đầu đọc các bit đến ở một tần số cụ thể được gọi là tốc độ truyền Tốc độ truyền là thước đo tốc độ truyền dữ liệu, được biểu thị bằng bit trên giây (bps). Ưu điểm và nhược điểm của UART Ưu điểm:
Giao diện dễ dàng với PC.
Phạm vi giao diện vật lý tiêu chuẩn (TTL, RS232, RS422, RS485).
Cần độ chính xác đồng hồ hợp lý cả hai đầu.
Tốc độ dữ liệu tối đa trong thực tế khoảng 1mbit / giây (thường bị giới hạn bởi khả năng của UART).
Tìm hiểu chi tiết về công nghệ Bluetooth BLE
1.4.1 Công nghệ Bluetooth BLE là gì?
Bluetooth Low Energy (BLE) là công nghệ giao tiếp không dây công suất thấp có thể được sử dụng trong một khoảng cách ngắn để cho phép các thiết bị thông minh giao tiếp với nhau Một số thiết bị bạn tương tác hàng ngày như điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh, thiết bị theo dõi thể dục, tai nghe không dây và máy tính đang sử dụng BLE để tạo ra trải nghiệm liền mạch.
Ban đầu công nghệ này được phát minh bởi Nokia vào năm 2006 với tên gọi Wibree, trước khi được Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth
SIG) tích hợp vào Bluetooth 4.0 có tên BLE vào năm 2010 Mục tiêu chính của việc tích hợp là tối ưu hóa mức năng lượng tiêu thụ.
BLE là một tiêu chuẩn Bluetooth tương đối mới được "định danh" bởi SIG (Bluetooth Special Interest Group) với trọng tâm cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng khi truyền dữ liệu BLE có nhiều khả năng và được triển khai trong một loạt các lĩnh vực như sức khỏe, thể dục, bảo mật, tự động hóa gia đình, giải trí gia đình, công nghiệp thông minh và IoT (Internet of Things) Nó cũng được ứng dụng trên các thiết bị quen thuộc hàng ngày như điện thoại thông minh và máy tính xách tay mà bạn đang sử dụng.
Apple đã sớm áp dụng BLE trên điện thoại thông minh thông qua việc phát hành iPhone 4s vào năm 2011 Ngày nay, phần lớn các thiết bị Android và iOS trên thị trường đều sử dụng BLE để giao tiếp và tương tác với các thiết bị khác Sự phổ biến của điện thoại thông minh đã cho phép công nghệ Bluetooth này xuất hiện trên toàn thế giới.
1.4.2 Vai trò của BLE trong thiết bị
Thiết bị BLE hoạt động ở vai trò trung tâm hoặc ngoại vi và đôi khi còn được gọi là client hoặc máy server.
Thiết bị khởi tạo các lệnh và yêu cầu cũng như chấp nhận các phản hồi.
Ví dụ: máy tính, điện thoại thông minh.
Thiết bị nhận lệnh và yêu cầu và trả về phản hồi.
Ví dụ: cảm biến nhiệt độ, máy đo nhịp tim.
Chúng ta thường nghĩ về thiết bị BLE với vai trò thiết bị ngoại vi qua những thứ như tai nghe, máy theo dõi thể dục, máy đo nhịp tim, Nếu thiết bị báo tính khả dụng của nó để kết nối và cung cấp giao diện để giao tiếp thì nó chính là thiết bị ngoại vi.
Thay vào đó nếu thiết bị phát hiện, kết nối và tương tác với các thiết bị ngoại vi thì nó chính là thiết bị trung tâm Chẳng hạn như máy tính hoặc điện thoại thông minh Trung tâm thường quét các thiết bị ngoại vi gần đó và hiển thị danh sách các thiết bị được tìm thấy Nếu thiết bị ngoại vi có thể kết nối, trung tâm có thể kết nối với thiết bị ngoại vi được chỉ định và bắt đầu trao đổi thông tin.
1.4.3 Giao tiếp BLE hoạt động như thế nào?
BLE sử dụng cấu trúc dữ liệu phân cấp để xác định cấu trúc trao đổi thông tin Thiết bị BLE với vai trò là thiết bị ngoại vi sẽ báo các đặc điểm có thể được sử dụng để giao tiếp với thiết bị Các thuộc tính này được xác định bằng cách sử dụng cấu hình GATT (Thuộc tính chung) Các đặc điểm thể hiện các giá trị dưới dạng các gói thông tin nhỏ có thể thay đổi theo thời gian.
Các đặc tính có thể được định nghĩa để chứa các giá trị kiểu đọc hoặc ghi. Các thiết bị ngoại vi cung cấp đặc điểm kiểu đọc nói chung là công bố thông tin cho trung tâm tiêu thụ Các thiết bị ngoại vi cung cấp đặc điểm kiểu ghi thường cung cấp giao diện để nhận dữ liệu từ trung tâm - ví dụ như giá trị cấu hình thay đổi một số thứ trên thiết bị ngoại vi.
Ví dụ, giả sử chúng ta có một thiết bị ngoại vi triển khai BLE để cung cấp giá trị đọc nhiệt độ từ cảm biến Thiết bị ngoại vi này sẽ có đặc tính nhiệt độ kiểu đọc với giá trị nhiệt độ hiện tại được đặt trên đặc tính Khi các kết quả đọc nhiệt độ thay đổi, thiết bị ngoại vi sẽ cập nhật giá trị đặc tính Sau đó, thiết bị trung tâm được kết nối như máy tính hoặc điện thoại thông minh sẽ ghi nhận các thay đổi trên đặc tính ngoại vi đó để cập nhật nhiệt độ theo thời gian thực qua BLE từ thiết bị ngoại vi.
1.4.4 Sự khác biệt giữa Bluetooth Classic và Bluetooth Low Energy
Hình 1.16: So sánh Classic Bluetooth và Bluetooth BLE
Bluetooth thông thường thích hợp để xử lý, truyền và trao đổi một lượng lớn dữ liệu (ví dụ như trong âm thanh, video) Tuy nhiên, nó sẽ tiêu tốn nhiều điện năng hơn và có giá thành đắt hơn.
Công nghệ BLE phù hợp với các ứng dụng không yêu cầu chuyển một lượng lớn dữ liệu, do đó có thể chỉ khôi phục một số ít thông tin dữ liệu Và cũng nhờ thế mà thiết bị có thể chạy bằng năng lượng pin trong nhiều năm với chi phí thấp hơn Bluetooth vì nó không yêu cầu kết nối liên tục.
Bluetooth Low Energy ra đời với hy vọng mang lại những hiệu quả tối ưu cho người dùng qua các thiết bị IoT, chính vì điều đó nó đã được ứng dụng một cách rộng rãi trong các thiết bị công nghệ thông minh với đa dạng lĩnh vực. Chẳng hạn như:
Phụ kiện định vị theo dõi vị trí đồ vật với độ chính xác cao - Samsung SmartTag Đây là thiết bị được gắn vào các vật dụng khác nhau để chủ nhân có thể dễ dàng tìm thấy khi cần.
Những thiết bị nhà thông minh được điều khiển bằng smartphone Chẳng hạn khóa vân tay Fhome sẽ biến chiếc điện thoại của người dùng thành một chiếc chìa khóa điện tử.
Vòng đeo tay thông minh MiBand hỗ trợ tính năng theo dõi và ghi nhận thông tin về các chế độ luyện tập thể thao của người dùng và đồng bộ dữ liệu cho smartphone.
1.4.6 Ưu và nhược điểm của BLE Ưu điểm
Khả năng tiêu thụ năng lượng đến mức tối thiểu Năng lượng được tối ưu hóa, chỉ bật khi dữ liệu đến/đi cho phép thiết bị hoạt động vài năm chỉ với một viên pin nhỏ.
Chi phí giá thành thấp do công nghệ sản suất không quá phức tạp.
BLE hoạt động ở tần số 2.4 Ghz ISM band tránh nhiễu sóng giữa các thiết bị WiFi và Bluetooth.
Tốc độ thiết lập kết nối rất nhanh (khoảng 3 ms).
BLE được tích hợp trên hầu hết điện thoại thông minh hiện nay là một ưu thế lớn.
Băng thông nhỏ: theo lý thuyết tần số của sóng BLE trong không gian là 1Mbps và có thể nhỏ hơn trong thực tế do nhiều yếu tố.
GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ
Công nghệ phần cứng
Arduino UNO R3 là kit Arduino UNO thế hệ thứ 3, với khả năng lập trình cho các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh với các loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C).
Cấu trúc của Arduino UNO R3 dựa trên chip Atmega328P Uno có 14 chân I/O digital (trong đó có 6 chân xuất xung PWM), 6 chân Input analog, 1 thạch anh 16MHz, 1 cổng USB, 1 jack nguồn DC, 1 nút reset.
Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc Arduino UNO R3
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
Sơ đồ chân của vi điều khiển ATmega328P:
Hình 2.3: Sơ đồ chân của ATmega328P
Digital: Các chân I/O digital (chân số 2 – 13 ) được sử dụng làm chân nhập, xuất tín hiệu số thông qua các hàm chính : pinMode(), digitalWrite(),digitalRead() Điện áp hoạt động là 5V, dòng điện qua các chân này ở chế độ bình thường là 20mA, cấp dòng quá 40mA sẽ phá hỏng vi điều khiển.
Analog: Uno có 6 chân Input analog (A0 – A5), độ phân giải mỗi chân là 10 bit (0 – 1023) Các chân này dùng để đọc tín hiệu điện áp 0 – 5V (mặc định) tương ứng với 1024 giá trị, sử dụng hàm analogRead().
PWM: các chân được đánh số 3, 5, 6, 9, 10, 11; có chức năng cấp xung
PWM (8 bit) thông qua hàm analogWrite().
UART: Atmega328P cho phép truyền dữ liệu thông qua hai chân 0
ESP32 là một hệ thống vi điều khiển trên chip (SoC) giá rẻ của Espressif Systems, nhà phát triển của ESP8266 SoC Nó là sự kế thừa của SoC ESP8266 và có cả hai biến thể lõi đơn và lõi kép của bộ vi xử lý 32-bit Xtensa LX6 của Tensilica với Wi-Fi và Bluetooth tích hợp Bạn có thể dễ dàng lập trình nó với nhiều ngôn ngữ khác nhau như Lua, Python, C/C++,…
Tìm hiểu chi tiết ESP32
CPU: Được đặt tên là “PRO_CPU” và “APP_CPU” Xtensa Dual-Core LX6.
Khi chúng ta dùng FreeRTOS sẽ ứng với Core 0 và Core 1(protocol cpu và application cpu).
Tốc độ xử lý từ 160MHZ đến 240MHz
Tốc độ xung nhịp từ 40MHZ đến 80MHZ (có thể tùy chỉnh khi lập
520 KB SRAM liền chip Trong đó có 8KB RAM RTC sử dụng được tốc độ cao và 8KB RAM RTC chỉ sử dụng được tốc độ thấp để dùng ở chế độ DeepSleep.
Có 18 kênh - bộ chuyển đổi ADC - Analog-to-Digital
2 Bộ chuyển đổi DAC - Digital-to-Analog
2 x I2S, 10 GPIO cảm biến điện dung
Các tính năng của ADC và DAC sẽ được gán trực tiếp vào các chân cố định Tuy nhiên, người dùng có thể lựa chọn các chân như SPI, PWM, UART, I2C, v.v Chúng ta có thể dễ dàng làm điều này bằng việc khai báo chân trong code Việc này được phép thực hiện nhờ tính năng ghép kênh của chip ESP32. VD: Các chân từ 34 đến 39 là các chân Input only pins vì thế người dùng không thể thiết lập chúng là chân Output.
Station mode (Wi-Fi client hay STA) ESP32 có khả năng kết nối đến các điểm truy cập.
Trở thành 1 điểm truy cập (Access Point mode hay Soft-AP) Lúc thànhESP trở thành trung tâm kết nối liên kết thông tin Các Station kết nối vớiAccess-Point chính là ESP32 tạo nên.
AP-STA mode ESP32 có thể đồng thời là điểm truy cập và truy cập đến địa chỉ khác.
Bluetooth: BLE và v4.2 BR/EDR.
Việc hỗ trợ cả bluetooth khiến tăng tính tương tác cho ESP32 Chúng có thể kết nối với các thiết bị như là chuột, bàn phím, hay các thiết bị thông minh như điện thoại, laptop khi mà không có Wi-Fi Bạn có thể lựa chọn tùy biến chức năng này là BLE hay Bluetooth Classic Tùy theo các yêu cầu về tốc độ và năng lượng mà project cần thiết.
DHT11 Là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1-wire (giao tiếp digital 1-wire truyền dữ liệu duy nhất). Cảm biến được tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữ liệu nhận về được chính xác mà không cần phải qua bất kỳ tính toán nào.
Điện áp hoạt động: 3V - 5V (DC)
Dải độ ẩm hoạt động: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH
Dải nhiệt độ hoạt động: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C
Khoảng cách truyền tối đa: 20m
DHT11 gửi và nhận dữ liệu với một dây tín hiệu data, với chuẩn dữ liệu truyền 1 dây này, chúng ta phải đảm bảo sao cho ở chế độ chờ (idle) dây DATA có giá trị ở mức cao, nên trong mạch sử dụng DHT11, dây data phải được mắc với một trở kéo bên ngoài (thông thường giá trị là 4.7kQ).
Dữ liệu truyền về của DHT11 gồm 40bit dữ liệu theo thứ tự: 8 bit biểu thị phần nguyên của độ ẩm + 8 bít biểu thị phần thập phân của độ ẩm + 8 bit biểu thị phần nguyên của nhiệt độ + 8 bit biểu thị phần thập phân của nhiệt độ + 8 bit check sum.
Ví dụ: ta nhận được 40 bit dữ liệu như sau: 0011 0101 0000 0000 0001 1000
8bit checksum: 0011 0101 + 0000 0000 + 0001 1000 + 0000 0000 = 0100 1101 Độ ẩm: 0011 0101 = 35H = 53% (ở đây do phần thập phân có giá trị 0000 0000, nên ta bỏ qua không tính phần thập phân) Nhiệt độ: 0001 1000 = 18H = 24°c (ở đây do phần thập phân có giá trị 0000 0000 nên ta bỏ qua không tính phần thập phân)
2.1.6 Cảm biến độ ẩm đất
Cảm biến độ ẩm đất Soil Moisture Sensor thường được sử dụng trong các mô hình tưới nước tự động, vườn thông minh,… cảm biến giúp xác định độ ẩm của đất qua đầu dò và trả về giá trị Analog, Digital qua 2 chân tương ứng để giao tiếp với Vi điều khiển để thực hiện vô số các ứng dụng khác nhau.
Điện áp hoạt động: 3.3~5VDC
Tín hiệu đầu ra: oAnalog: theo điện áp cấp nguồn tương ứng. oDigital: High hoặc Low, có thể điều chỉnh độ ẩm mong muốn bằng biến trở thông qua mạch so sánh LM393 tích hợp.
Hình 2.8: Cảm biến độ ẩm đất
GND GND của nguồn ngoài
DO Đầu ra tín hiệu số (mức cao hoặc mức thấp)
AO Đầu ra tín hiệu tương tự (Analog)
Các điện áp đầu ra cảm biến thay đổi cho phù hợp với hàm lượng nước trong đất.
ẩm: điện áp đầu ra giảm
khô: điện áp đầu ra tăng
Công nghệ phần mềm
Phần mềm Arduino IDE là gì?
Arduino IDE là một phần mềm mã nguồn mở chủ yếu được sử dụng để viết và biên dịch mã vào module Arduino.
Đây là một phần mềm Arduino chính thức, giúp cho việc biên dịch mã trở nên dễ dàng mà ngay cả một người bình thường không có kiến thức kỹ thuật cũng có thể làm được.
Nó có các phiên bản cho các hệ điều hành như MAC, Windows, Linux và chạy trên nền tảng Java đi kèm với các chức năng và lệnh có sẵn đóng vai trò quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa và biên dịch mã trong môi trường.
Có rất nhiều các module Arduino như Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Leonardo, Arduino Micro và nhiều module khác.
Mỗi module chứa một bộ vi điều khiển trên bo mạch được lập trình và chấp nhận thông tin dưới dạng mã.
Mã chính, còn được gọi là sketch, được tạo trên nền tảng IDE sẽ tạo ra một file Hex, sau đó được chuyển và tải lên trong bộ điều khiển trên bo.
Môi trường IDE chủ yếu chứa hai phần cơ bản: Trình chỉnh sửa và Trình biên dịch, phần đầu sử dụng để viết mã được yêu cầu và phần sau được sử dụng để biên dịch và tải mã lên module Arduino.
Môi trường này hỗ trợ cả ngôn ngữ C và C ++.
Arduino IDE hoạt động như thế nào
Khi người dùng viết mã và biên dịch, IDE sẽ tạo file Hex cho mã File Hex là các file thập phân Hexa được Arduino hiểu và sau đó được gửi đến bo mạch bằng cáp USB Mỗi bo Arduino đều được tích hợp một bộ vi điều khiển, bộ vi điều khiển sẽ nhận file hex và chạy theo mã được viết.
2.2.2 Phần mềm MIT APP Inventor
Giới thiệu về App Inventor
App Inventor là một ứng dụng web mã nguồn mở được cung cấp bởi Google từ tháng 7 năm 2010 Sau này, App Inventor được quản lý bởi Viện Công nghệ Massachusetts hay còn gọi là MIT Đó cũng là lý do tại sao nó hay được gọi là MIT App Inventor.
Về cơ bản, App Inventor sẽ hoạt động dựa trên nền tảng di động Android. Tức là các thành phẩm được tạo ra từ App Inventor sẽ chỉ hoạt động được trên Android Giao diện của App Inventor bao gồm các khối hộp, bên trong là các đoạn mã Khi sử dụng, người dùng sẽ kéo thả các khối này vào bảng mã để tiến hành lắp ghép thành một ứng dụng hoàn chỉnh.
Hình 2.16: Giao diện quản lý project
Hình 2.17: Giao diện thiết kế (Design)
Hình 2.18: Giao diện lập trình (Blocks)
Tất cả đều đơn giản là các thao tác kéo và thả, bao gồm cả phần thiết kế giao diện và viết code.
Fritzing là phần mềm mã nguồn mở được thiết kế đặc biệt cho những người cần tạo các dự án điện tử Ngoài ra, công cụ này có một cộng đồng tuyệt vời đằng sau, luôn cập nhật hoặc sẵn sàng giúp đỡ nếu bạn gặp vấn đề Nó là một công cụ tuyệt vời cho các lớp học, cho cả sinh viên và giáo viên, và thậm chí cho các chuyên gia.
Fritzing là đa nền tảng, có sẵn trong macOS, Linux và Windows Sáng kiến này được phát triển bởi Đại học Khoa học Ứng dụng Potsdam và được phát hành theo giấy phép GPL 3.0 hoặc cao hơn.
Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ lập trình C ++ và sử dụng Qt frame.Tất cả mã của nó đều có sẵn trong GitHub.
Chương 3: Thiết kế hệ thống ĐỒ ÁN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Thiết kế phần cứng
Khối xử lý trung tâm: nhận tín hiệu vào từ điện thoại Android để điều khiển thiết bị và gửi dữ liệu cảm biến.
Khối nguồn: cung cấp nguồn điện cho toàn bộ hệ thống.
Khối cảm biến: đọc các thông số môi trường và gửi về điện thoại
Khối hiển thị: hiển thị giá trị cảm biến lên OLED và app.
Khối thiết bị điện: tiếp nhận tín hiệu điều khiển để thực hiện on / off.
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý 3.1.3 Mạch thực tế
Thiết kế phần mềm
Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán
Hình 3.5: Giao diện Arduino IDE
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, -1);
#if !defined(CONFIG_BT_ENABLED) ||
#error Bluetooth is not enabled! Please run `make menuconfig` to and enable it
#endif const int sensor_pin = 39;
DHT dht(DHT11PIN, DHT11); int incoming; void setup() {
SerialBT.begin("ESP32_NHATANH"); dht.begin(); delay(2000); if(! display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) {
Serial.println(F("SSD1306 allocation failed")); for(;;);
} void loop() { if (SerialBT.available())
{ incoming = SerialBT.read(); int button = floor(incoming / 10); int value = incoming % 10; switch (button) { case 1: if(value == 0){
SerialPort.println(2); } break; case 2: if(value == 0){
SerialPort.println(4); } break; case 3: if(value == 0){
SerialPort.println(6); } break; case 4: if(value == 0){
} delay(2000); float humi = dht.readHumidity(); float temp = dht.readTemperature(); float moisture_percentage; moisture_percentage = ( 100.00 - ( (analogRead(sensor_pin) / 1023.00) * 100.00 ) );
SerialBT.println(";"); display.clearDisplay(); display.setTextSize(1); display.setTextColor(WHITE); display.setCursor(0, 0); display.println("DATA IS READING "); display.setCursor(0, 17); display.print("Temperature: "); display.print(temp); display.cp437(true); display.write(248); display.print("C"); display.setCursor(0, 32); display.print("Humidity: "); display.print(humi); display.print("%"); display.setCursor(0, 47); display.print("Soil: "); display.print(moisture_percentage); display.print("%"); display.display();
Code Arduino UNO R3: char number = ' '; byte pin_1 = 13; byte pin_2 = 12; byte pin_3 = 4; byte pin_4 = 8; void setup(){
Serial.begin(115200); pinMode (pin_1, OUTPUT); pinMode (pin_2, OUTPUT); pinMode (pin_3, OUTPUT); pinMode (pin_4, OUTPUT);
} void loop(){ if (Serial.available())
{ char number = Serial.read(); if (number == '1') { digitalWrite(pin_1, LOW); } if (number == '2') { digitalWrite(pin_1, HIGH); } if (number == '3') { digitalWrite(pin_2, LOW); } if (number == '4') { digitalWrite(pin_2, HIGH); } if (number == '5') { digitalWrite(pin_3, LOW); } if (number == '6') { digitalWrite(pin_3, HIGH); } if (number == '7') { digitalWrite(pin_4, LOW); } if (number == '8') { digitalWrite(pin_4, HIGH); }
3.2.3 Giao diện phần mềm MIT APP Inventor trên Android
Hình 3.6: Giao diện MIT APP CONVENTOR
Chức năng các phím và dòng:
Connect to Bluetooth: mở danh sách các địa chỉ Bluetooth khả dụng. Disconnect from Bluetooth: hủy kết nối Bluetooth.
Button: bật tắt thiết bị điện
Temperature: thông số nhiệt độ
Humidity: thông số độ ẩm không khí.
Soil Moisture: thông số độ ẩm đất.
PUMP, NEBULIZER, BULB, FAN: điều khiển các thiết bị điện.
Hình 3.7: Giao diện MIT APP CONVENTOR
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Công nghệ IoT nói chung và mạng cảm biến không dây nói riêng hứa hẹn tạo ra những ứng dụng đầy tiềm năng, có thể áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, tuy vậy vẫn còn rất nhiều hạn chế cần được quan tâm Vậy nên để triển khai mạng người thiết kế hệ thống yêu cầu phải nắm bắt được những nhân tố tác động đến mạng, những nhược điểm của mạng cần phải được khắc phục.
Nói về Bluetooth, đây là một hệ thống truyền thông dải ngắn với mục đích thay thế các sợi cáp cầm tay hoặc các thiết bị điện cố định Bluetooth đem đến khả năng kết nối mạnh mẽ, năng lượng tiêu thụ thấp và giá thành rẻ Đó chính là ưu điểm lớn nhất khi so với các công nghệ truyền thông không dây khác. Bluetooth chính là giải pháp hữu hiệu với các không gian nhỏ như hộ gia đình.
Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan IoT, công nghệ cảm biến không dây và các ứng dụng trong thực tiễn, em đã xây dựng thành công trong một chương trình thực nghiệm có tính khả thi cao, giám sát được 3 thông số môi trường và điều khiển được 4 thiết bị điện qua sóng Bluetooth BLE Tuy nhiên do thời gian có hạn và số lượng cũng như chất lượng các thiết bị còn hạn chế, hệ thống chưa thể đánh giá được hết các vấn đề có thể xảy ra trong thực tiễn, ví dụ như xung đột dữ liệu Đây cũng là hướng phát triển trong tương lai của đề tài này. Ưu điểm:
Đáp ứng được nhu cầu của đề tài.
Các thông số hiển thị rõ ràng.
Tốc độ kết nối Bluetooth trong bán kính 10m rất nhanh chóng.
Tiết kiệm điện năng nhờ công nghệ BLE.
ESP32 không thể chạy đồng thời Bluetooth và Wifi do phải share chung băng tần 2.4Ghz.
2 Hướng phát triển đề tài
Kết hợp với WiFi để điều khiển qua Web hoặc app Blynk.
Tích hợp nhiều cảm biến giám sát hơn, nâng cấp các linh kiện đắt tiền hơn
Có thể sử dụng module sim phòng trường hợp mất Bluetooth.
Phần mềm điều khiển và theo dõi có thể được sử dụng trên hệ điều hành IOS.Xây dựng giao diện App Android thân thiện hơn với người dùng.
