thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát ngôi nhà thông minh trên nền tảng iot

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH: VIỄN THÔNG

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT

NGÔI NHÀ THÔNG MINH TRÊN NỀN TẢNG IoT

Người hướng dẫn : ThS Trần Duy Chung Sinh viên thực hiện : Đỗ Nguyễn Ngọc Bích

Mã sinh viên : 1911505410104

Lớp : 19DT1

Đà Nẵng, 12/2023

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH: VIỄN THÔNG

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT

NGÔI NHÀ THÔNG MINH TRÊN NỀN TẢNG IoT

Người hướng dẫn : ThS Trần Duy Chung Sinh viên thực hiện : Đỗ Nguyễn Ngọc Bích

Mã sinh viên : 1911505410104

Lớp : 19DT1

Đà Nẵng, 12/2023

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN

TÓM TẮT Tên đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh trên nền

Chức năng chính: - Hệ thống điều khiển: sử dụng ESP32 để đo giá trị của các cảm biến thời gian, nhiệt

độ, độ ẩm, khí gas, cũng như cảnh báo khi chỉ số khí gas, lửa tăng cao - Lập trình trang web để dễ giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh

Cảm biến, thuật toán, lập trình:

- Sử dụng các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm; khí gas, lửa để thu thập thông tin từ môi trường

- Sử dụng thuật toán để xử lý dữ liệu từ cảm biến - Xây dựng trang web kết nối với ESP32 thông qua wifi để điều khiển, giám sát các

cảm biến và đèn

Ưu điểm dự kiến:

- Sử dụng ESP32 có đủ các chân để thuận tiện việc kết nối các cảm biến, linh kiện - Ngôi nhà có khả năng áp dụng vào thực tế cao

Đề xuất trong tương lai:

- Phát triển thêm nhiều ứng dụng thông minh như: rèm cửa tự động, điều khiển bằng giọng nói, phát hiện người,…

- Xây dựng ngôi nhà với tính thẩm mỹ cao hơn

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: ThS Trần Duy Chung

Sinh viên thực hiện: Đỗ Nguyễn Ngọc Bích Mã SV: 1911505410104

diện web để điều khiển và hiển thị trái các thiết bị - Sử dụng wi-fi để truyền dẫn và đồng bộ hóa dữ liệu

Tài liệu ban đầu:

- Tìm hiểu về công nghệ Internet of things (IoT) - Tìm hiểu về các cảm biến sử dụng trong đề tài như nhiệt độ, độ ẩm, khí gas, lửa,

thời gian thực - Tìm hiểu về giao thức kết nối wi-fi - Thiết kế, thi công hệ thống điều khiển nhà thông minh - Xây dựng giao diện trang web để điều khiển và giám sát

3 Nội dung chính của đồ án:

“THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NGÔI NHÀ THÔNG MINH TRÊN NỀN TẢNG IoT” để giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà thông qua web có thể hiển thị được trạng thái, điều khiển thiết bị và giám sát được số liệu

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài

Chương 2: Tính toán và thiết kế hệ thống

Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống

Chương 3: Thi công hệ thống và đưa ra nhận xét, đánh giá hệ thống

Thiết kế thi công, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình Đưa ra nhận xét và đánh giá sản phẩm mô hình đã hoàn thành

Kết luận và Hướng phát triển

Phần này trình bày ngắn gọn những kết quả đã thu được dựa vào những phương pháp, thuật toán đã kiến nghị ban đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của thế giới ngày nay, chất lượng cuộc sống của người dân không ngừng nâng cao, việc áp dụng khoa học kĩ thuật vào đời sống, vào công việc càng trở nên cần thiết hơn Việc nghiên cứu, chế tạo ra các sản phẩm mới, giúp con

người tiếp cận gần hơn với các thiết bị điện tử hiện đại Vì vậy nên đề tài “THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NGÔI NHÀ THÔNG MINH TRÊN NỀN TẢNG IoT” ra đời

Việc hoàn thành đồ án này giúp em hiểu rõ hơn các kiến thức đã học, vận dụng để tạo ra sản phẩm phục vụ cho cuộc sống Trong quá trình thực hiện đề tài, không thể tránh khỏi việc gặp nhiều khó khăn, do đó giúp sinh viên chủ động trao đổi thảo luận với thầy hướng dẫn, bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Trần Duy Chung Thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình giúp đỡ em từ khi bắt đầu đến khi hoàn thành đề tài

Em xin cảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Điện trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật đã truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian em học tập tại trường

Em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2023

Sinh viên thực hiện

Đỗ Nguyễn Ngọc Bích

CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của nhóm em cùng với sự hướng dẫn tận

tình của thầy Trần Duy Chung

Các nội dung nghiên cứu, số liệu và kết quả đã nêu trong đồ án là trung thực và chưa từng được bảo vệ hay báo cáo trước đó Trong báo cáo, em có thảm khảo một số tài liệu và đã được liệt kê ở phần tài liệu tham khảo

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2023

Sinh viên thực hiện

Đỗ Nguyễn Ngọc Bích

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN ii

TÓM TẮT iii

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv

LỜI NÓI ĐẦU vi

CAM ĐOAN vii

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

1.1 Khái niệm ngôi nhà thông minh 5

1.2 Các dự án ngôi nhà thông minh trên Thế giới và Việt Nam hiện nay 6

1.2.1 Thế giới 6

1.2.2 Việt Nam 7

1.3 Tổng quan về công nghệ IoT 8

1.3.1 Giới thiệu về công nghệ IoT 8

1.3.2 Internet of Things - Xu hướng công nghệ tương lai 9

1.3.3 Độ rộng lớn của IoT 9

1.3.4 Ứng dụng IoT trong đời sống 9

1.3.5 Ưu và nhược điểm của công nghệ IoT 10

1.4 Các chuẩn truyền dữ liệu 10

1.4.1 Chuẩn giao tiếp UART 10

1.4.2 Chuẩn giao tiếp I2C 12

1.4.3 Chuẩn giao tiếp HTTP 15

1.4.4 So sánh HTTP Với HTTPS 16

2.1.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 22

2.1.3 Cảm biến khí gas MQ135 23

2.1.4 Thời gian thực DS3231 24

2.1.5 Màn hình hiển thị LCD 16x2 26

2.1.6 Mạch chuyển giao tiếp LCD 1602 và LCD 2004 sang I2C 28

2.1.7 Relay tiếp điểm cơ khí 5V 29

2.3 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 39

CHƯƠNG 3: THI CÔNG HỆ THỐNG 41

3.5.1 Lưu đồ thuật toán 45

3.5.2 Giải thích lưu đồ thuật toán 45

3.6 Giao diện trang web 46

3.9.2 So sánh kết quả hệ thống với mục tiêu đặt ra ban đầu 48

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 49

1 Kết luận 49

2 Hướng phát triển 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

1 Sách tham khảo 50

2 Bài báo, tạp chí tham khảo 50

3 Đồ án tốt nghiệp, luận án tham khảo 50

4 Tài liệu tham khảo từ internet 50

PHỤ LỤC 51

DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ

Bảng 1.1 So sánh giữa HTTP và HTTPS 16

Bảng 2.3 Các chân chuyển mạch giao tiếp LCD sang I2C 28

Bảng 3 1.1 Điện áp và dòng điện của các linh kiện Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định.Hình 1.1 Ứng dụng của IoT

Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 1.2 Truyền dữ liệu giữa 2 vi điều khiển Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 1.3 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 1.4 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 1.5 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 1.6 điều kiện start stop Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 1.7 Truyền dữ liệu I2C Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 1.8 Truyền dữ liệu I2C Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 1.9 Giao thức HTTP Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 1.10 Cách thức hoạt động của HTTP Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định Hình 2.1 Vi điều khiển ESP32 18

Hình 2.2 Mạch nguyên lý của ESP32 19

Hình 2.3 Sơ đồ chân của ESP32 19

Hình 2.10 Sơ đồ chân của LCD 16x2 26

Hình 2.11 Mạch chuyển giao tiếp LCD sang I2C 28

Hình 2.12 Sơ đồ chân của mạch chuyển giao tiếp LCD sang I2C 28

Hình 2.13 Relay tiếp điểm cơ khí 5V 29

Hình 2.20 Bố cục của Arduino IDE 35

Hình 2.21 Thiết lập file mới trên Vscode 36

Hình 2.22 Các ngôn ngữ VScode hỗ trợ 37

Hình 2.23 Code trên Vscode 37

Hình 2.24 Trang chủ của nền tảng Firebase 38

Hình 2.25 Realtime Database 38

Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán 45

Hình 3.7 Giao diện trang web điều khiển 46

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Nguyên Nghĩa Nghĩa tiếng việt

5 LCD Liquid-Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng 6 UART Universal Asynchronous

Receiver / Transmitter

Bộ tiếp nhận không đồng bộ Đồng bộ chuyển giao

14 SDA Serial data line Đường dữ liệu nối tiếp

16 PWM Pulse-width modulation Xung quanh chế độ điều

chỉnh

MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề

IoT đã có mặt trên thế giới từ những năm 1990, nó là một công nghệ có tiềm năng mang lại nhiều lợi ích cho con người, nên được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, từ đời sống đến sản xuất công nghiệp Internet of things đã và đang thống lĩnh thị trường thế giới, trở thành xu hướng công nghệ đáng mong đợi nhất trong tương lai thông qua những số liệu như: tổng số tiền chi phí cho giải pháp IoT trên toàn cầu lên đến 418 tỷ

USD trong năm 2022(theo Statista) Hay theo tập đoàn Microsoft, có khoảng 94% công

ty ứng dụng công nghệ IoT trong năm 2022 IoT đang phát triển nhanh chóng tại Việt Nam Quy mô thị trường Việt Nam đạt 6,23 tỷ USD trong năm 2023 và sẽ tăng lên 13,1 tỷ USD trong năm 2023, với tốc độ tăng

trưởng 16,04%/năm trong giai đoạn từ năm 2023-2028(theo Research and Markets) Có

nhiều yếu tố thúc đẩy sự phát triển IoT tại Việt Nam như: - Sự phát triển của hạ tầng viễn thông: với mạng lưới viễn thông rộng, độ phủ sóng

4G đạt 95% dân số Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai các ứng dụng IoT

- Sự phát triển của công nghệ: các thiết bị IoT trở nên nhỏ gọn, rẻ hơn và nhiều tính năng hơn

- Sự quan tâm của chính phủ: Chính phủ Việt Nam có nhiều chính sách hỗ trợ cho phát triển IoT

Trong đại dịch covid-19 vừa qua cũng kích hoạt sự bùng nổ của Internet of things Sự kết nối của con người với nhau bị hạn chế để hạn chế sự lây lan của đại dịch Điều này đã trở thành một trong các nguyên nhân chính thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của IoT Công nghệ không chỉ giúp con người xóa bỏ rào cản khoảng cách, mà các thiết bị thông minh ra đời hỗ trợ trong mùa dịch như:

- ATM gạo - ATM khẩu trang - Robot khử trùng UV không cần hóa chất - Máy bay không người lái phun thuốc khử trùng

IoT còn được áp dụng nhiều vào các sản phẩm khác như: ô tô thông minh tự lái, hệ thống phun sương tự động, quản lý môi trường, chất thải sinh hoạt, … Và rất nhiều ứng

Với sự bùng nổ của công nghệ thông tin, điện tử, … đã làm cho đời sống con người ngày càng nâng cao Việc áp dụng máy móc vào công việc, sản xuất dần thay thế cho sức lao động của con người Vì vậy không ngừng thúc đẩy sự không ngừng nghỉ ra những điều mới, áo dụng chất xám của con người vào việc phát triển kĩ thuật Nhu cầu về cuộc sống của con người cũng thoải mái và tiện lợi hơn Những năm gần đây, nhà thông minh ra đời và được ứng dụng rộng rãi

Vì vậy em đã chọn đề tài “THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NGÔI NHÀ THÔNG MINH TRÊN NỀN TẢNG IOT” với mục đích phát triển

hệ thống giám sát ngôi nhà thông qua Internet, điện thoại hay máy tính Đề tài này không quá mới, tuy nhiên nó đáp ứng đầy đủ một lượng kiến thức về điện tử và ứng dụng được vào cuộc sống hiện nay

Đề tài này được thực hiện dựa trên sự hướng dẫn tận tình của thầy Trần Duy Chung, và qua các tài liệu có sẵn trước đó để thực hiện đề tài Rất mong nhận được sự góp ý của hội đồng bảo vệ, thầy cô để có thể nâng cao chất lượng của đồ án

Nội dung thực hiện bao gồm: nghiên cứu tổng quan, cơ sở lý thuyết và các module liên quan, thiết kế hệ thống bao gốm phần cứng, phần mềm sau đó thực hiện và kiểm tra từng phần, kiểm tra tín hiệu giữa phần cứng và server, phần mềm và server sau đó mới thực hiện kết nối toàn bộ hệ thống điều khiển từ phần cứng sáng phần mềm và ngược lại

2 Mục tiêu đề tài

Thiết kế được hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà, điều khiển các thiết bị thông qua web server Xây dựng mô hình thử nghiệm để kiểm tra hiệu suất hệ thống Các thông số hiển thị như trạng thái thiết bị, nhiệt độ, độ ẩm, khí gas được hiển thị trên màn hình LCD và trên giao diện web server

Đề xuất cải tiến và ứng dụng: dựa trên kết quả nghiên cứu, đề xuất các cải tiến cho hệ thống và xem xét các tiềm năng của ứng dụng thực tế trong việc giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh

3 Nội dung nghiên cứu

Đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát cho ngôi nhà thông minh trên nền tảng IoT” có các nội dung chính như sau:

- Tìm hiểu các hoạt động của các mô hình nhà thông minh - Thu thập dữ liệu quy trình thiết kế một ngôi nhà thông minh - Các giải pháp thiết kế hệ thống, mô hình nhà thông minh

- Lựa chọn các thiết bị trong việc thiết kế mô hình nhà IoT (ESP32, Module thời gian thực, màn hình hiển thị, các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khí gas,…)

- Tìm hiểu các chuẩn truyền thông UART, I2C, HTTP - Thiết kế giao điện điều khiển và giám sát: Web server Thiết kế, thi công mạch - Thiết kế, thi công hệ thống điều khiển

- Thiết kế, thi công mô hình ngôi nhà - Viết chương trình cho ESP32

- Lắp ráp hệ thống điều khiển vào mô hình và chạy thử nghiệm - Chỉnh sửa các lỗi xuất hiện

- Đánh giá kết quả thực hiện - Viết báo cáo luận văn - Báo cáo đề tài tốt nghiệp

4 Bố cục đề tài Mở đầu

Trình bày lý do và mục tiêu của đề tài, nội dung nghiên cứu và bố cục đồ án

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để

thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài Chương 2: Tính toán và thiết kế hệ thống

Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống

Chương 3: Thi công hệ thống và đưa ra nhận xét, đánh giá

Thiết kế thi công, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình Đưa ra nhận xét và đánh giá sản phẩm mô hình đã hoàn thành

Kết luận và hướng phát triển

Phần này trình bày ngắn gọn những kết quả đã thu được dựa vào những phương pháp, thuật toán đã kiến nghị ban đầu

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Khái niệm ngôi nhà thông minh

Những ngôi nhà được trang bị các thiết bị điện tử hiện đại, có thể kết nối đồng bộ, dễ dàng điều khiển thông qua điện thoại thông minh, máy tính hoặc giọng nói thông qua internet được gọi là ngôi nhà thông minh

Người dùng có thể điều khiển ngôi nhà từ xa, kiểm soát các thiết bị trong nhà ở bất cứ đâu, chỉ cần thông qua internet Nhà thông minh mang lại rất nhiều lợi ích như: tiện nghi, an toàn, tiết kiệm năng lượng và tính thẩm mỹ cao

Hình 1.1 Ngôi nhà thông minh Ngôi nhà thông minh đóng vai trò quan trọng trong việc kiến tạo cuộc sống hiện đại và tiện nghi

- Tích hợp công nghệ hiện đại - Tự động hóa hoạt động - Tiết kiệm năng lượng - An ninh và giám sát hiệu quả - Quản lý thiết bị gia đình - Dự đoán và phục vụ - Cuộc sống bền vững

1.2 Các dự án ngôi nhà thông minh trên Thế giới và Việt Nam hiện nay

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học- công nghệ Các dự án nhà thông minh IoT xuất hiện ngày càng nhiều Đáp ứng nhu cầu sống của người dân trên khắp thế giới và cả ở Việt Nam

1.2.1 Thế giới

a) Căn hộ thông minh của tỷ phú Bill Gates: nhà của ông là một trong những ngôi

nhà thông minh nhất thế giới với tên “Xanadu 2.0” Căn hộ được trang bị nhiều thiết bị công nghệ cao như: người dùng có thể điều khiển ánh sáng và rèm cửa bằng giọng nói hoặc bằng điện thoại thông minh Căn hộ được trang bị camera và cảm biến báo trộm giúp bảo vệ an toàn Việc thưởng thức âm nhạc, phim ảnh ở bất kỳ đâu trong nhà với hệ thống âm thanh và giải trí đa phòng Hệ thống chiếu sáng tự động giúp điều chỉnh ánh sáng theo thời gian và hoạt động của người dùng

b) Biệt thự tháp Clock ở New York: đây là một biệt thự tháp đồng hồ có tuổi đời

lên đến 98 năm tuổi, nhưng nó không hề lạc hậu mà còn được xem là ngôi nhà hiện đại bậc nhất Nó được trang bị hệ thống an ninh cao cấp với điều khiển Crestron giúp người dùng điều khiển ánh sáng, điều hòa

Hình 1.2 Biệt thự tháp Clock ở New York

c) Căn nhà Harbour Hide ở Anh: người dùng có thể điều khiển ánh sáng, nhiệt độ

theo ý thích của bản thân Người dùng còn có thể kiểm soát rèm cửa và thay đổi kinh màu điện tử Có thể sáng lên như ánh sáng mặt trời hoặc tối đi tùy ý muốn

Hình 1.3 Căn nhà Harbour Hide ở Anh

d) Ngôi nhà đổi màu duy nhất ở Los Angeles: ngôi nhà này trở nên thú vị và ấn

tượng hơn khi được kết hợp với công nghệ cao Các cửa sổ sẽ tự động đóng khi có ánh

sáng quá chói Hệ thống ánh sáng, âm thanh, lò sưởi đều có thể điều khiển từ xa

1.2.2 Việt Nam

a) Nhà thông minh Lumi ở Hà Nội: đây là đơn vị hàng đầu tại Việt Nam trong lĩnh

vực thi công nhà thông minh Khi ở nhà người dùng có thể điều khiển bằng giọng nó và điều khiển bẳng smartphone khi ra ngoài Đo thông tin môi trường nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng Điều khiển bật/tắt, tăng/giảm nhiệt độ điều hòa Tự động tưới sân vườn Cài lịch, hẹn giờ, tắt đèn theo ý muốn Tự động đóng rèm khi đi ngủ, tự động mở rèm chào buổi sáng Hẹn giờ tự bật/tắt bình nóng lạnh

Hình 1.4.Nhà thông minh Lumi ở Hà Nội

b) Tòa nhà Technopark Tower của Vingroup: đây là tòa nhà vận hành theo tiêu

chí khắt khe của chứng chỉ LEED Platium- cấp đô cao nhất của hệ thống xếp hạng uy tín toàn cầu nhằm đánh giá thiết kế và hiệu suất về môi trường xanh tại các công trình xây dựng do Hội đồng Xây dựng Xanh của Mỹ cung cấp Tòa nhà ứng dụng trí tuệ nhân tạo AI và IoT trong vận hành và quản lý, giúp cho mọi hoạt động của nhân viên được tối giản nhằm tiết kiệm thời gian Tính năng Smart Parking tích hợp trong ứng dụng nhân viên cho phép dẫn đường và tìm kiếm vị trí đỗ xe Hệ thống tự động nhận diện khuôn mặt và biển số xe cho các thuê bao hàng tháng, xe vào/ ra không dừng, tiết kiệm thời gian xếp hàng và nhân sự vận hành

Hình 1.5.Tòa nhà Technopark Tower của Vingroup

1.3 Tổng quan về công nghệ IoT

1.3.1 Giới thiệu về công nghệ IoT

Internet of Things (IoT) là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ

của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet

Theo khái niệm ta có thể hiểu Internet of Thing (IoT) là mọi vật đều có thể kết nối với nhau qua Internet, người dùng có thể kiểm soát đồ vật của minh qua một thiết bị thông minh như laptop, table PC hay smartphone

Internet of Things ra đời đang dần cụ thể hóa các bộ phim khoa học viễn tưởng thành

1.3.2 Internet of Things - Xu hướng công nghệ tương lai

Mặc dù khái niệm Internet of Things được đưa ra từ lâu Nhưng trong những năm gần đây nó mới được nhiều doanh nghiệp cũng như các nhà khoa học để ý và phát triển mạnh mẽ Trong các năm gần đây tại các triển lãm công nghệ CÉS, triễn lãm di động toàn cầu các hãng sản xuất lớn thay nhau đưa ra các thiết bị thông minh: tivi thông minh, tủ lạnh thông minh và ý tưởng về nhà thông minh liên tục được giới thiệu

Và khi gây được sự chú ý của cộng đồng, IoT đã cho thấy tiềm năng của mình bằng những con số đáng kinh ngạc

Internet of thing đang tác động sâu sắc đến đời sống hàng ngày của con người Thị trường IoT toàn cầu có thể đạt 1,7 nghìn tỷ USD vào năm 2025( theo IDC)

1.3.3 Độ rộng lớn của IoT

Số lượng thiết bị IoT được kết nối với internet chính là kích thước của IoT Có khoảng hơn 8 tỷ thiết bị IoT được kết nối vào năm 2022, con số này có tăng đến hơn 18 tỷ vào năm 2025 (theo Garner)

Một mạng lưới IoT có thể chứa đến hơn 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng.Một con người sống trong thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tượng có khả năng theo dõi

1.3.4 Ứng dụng IoT trong đời sống

Hình 1.6 Ứng dụng IoT trong đời sống

IoT có nhiều ứng dụng như:

- Quản lí chất thải - Quản lí và lập kế hoạch quản lí đô thị - Quản lí môi trường

- Phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp - Mua sắm thông minh

- Quản lí các thiết bị cá nhân - Nông nghiệp

- Tăng cường hiệu quả: IoT có thể được sử dụng để theo dõi hiệu suất, tối ưu hóa chuỗi cung ứng và cải thiện dịch vụ khách hàng Giúp cải thiện hiệu quả hoạt động của các doanh nghiệp và tổ chức

- Tăng cường an toàn và an ninh: IoT có thể được sử dụng để giám sát tài sản, phát hiện xâm nhập và cảnh báo khẩn cấp đến người dùng

- Môi trường: việc sử dụng và sản xuất các thiết bị IoT cũng gây ra nhiều khó khăn

vì đây là thiết bị sử dụng năng lượng cao, ảnh hưởng đến môi trường 1.4 Các chuẩn truyền dữ liệu

1.4.1 Chuẩn giao tiếp UART

UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter là kiểu truyền thông tin nối tiếp không đồng bộ thường là một mạch tích hợp Mục đích của

Hình 1.7 Truyền dữ liệu giữa 2 vi điều khiển

Một số thông số: Baud rate (tốc độ Baud): Khi truyền nhận không đồng bộ để hai module hiểu được

nhau thì cần quy định một khoảng thời gian cho 1 bit truyền nhận, nghĩa là trước khi truyền thì tốc độ phải được cài đặt đầu tiên Theo định nghĩa thì tốc độ baud là số bit truyền trong một giây

Frame (khung truyền): Do kiểu truyền thông nối tiếp này rất dễ mất dữ liệu nên

ngoài tốc độ, khung truyền cũng được cài đặt từ ban đầu để tránh bớt sự mất mát dữ liệu này Khung truyền quy định số bit trong mỗi lần truyền, các bit báo như start, stop, các bit kiểm tra như parity và số bit trong một data

Bit Start: Là bit bắt đầu trong khung truyền bit này nhằm mục đích báo cho thiết

bị nhận biết quá trình truyền bắt đầu trên AVR bit Start có trạng thái là 0

Data: Dữ liệu cần truyền Data không nhất thiết phải 8 bit có thể là 5, 6, 7, 8, 9 Trong

UART bit LSB được truyền đi trước, Bit MSB được truyền đi sau

Parity bit: Là bit kiểm tra dữ liệu đúng không, có 2 loại parity: chẵn (even parity),

lẻ (old parity) Parity chẵn là bit parity thêm vào để số số 1 trong data + parity = chẵn parity lẻ là bit parity thêm vào để số số 1 trong data + parity = lẻ Bit Parity là không bắt buộc nên có thể dùng hoặc không

Stop: là bit báo cáo kết thúc khung truyền, thường là mức 5V Và có thể có 1 hoặc

2 stop

1.4.2 Chuẩn giao tiếp I2C

I2C là tên viết tắt của cụm từ Inter-Integrated Circuit Đây là đường Bus giao tiếp giữa các IC với nhau Bus I2C được sử dụng làm bus giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như các loại Vi điều khiển 8051, PIC, AVR, ARM

Đặc điểm giao tiếp I2C

Một giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL) SDA là đường truyền dữ liệu 2 hướng, còn SCL là đường truyền xung đồng hồ để đồng bộ và chỉ theo một hướng Khi một thiết bị ngoại vi kết nối vào đường bus I2C thì chân SDA của nó sẽ nối với dây SDA của bus, chân SCL sẽ nối với dây SCL

Mỗi dây SDA hãy SCL đều được nối với điện áp dương của nguồn cấp thông qua một điện trở kéo lên (pullup resistor) Sự cần thiết của các điện trở kéo này là vì chân giao tiếp I2C của các thiết bị ngoại vi thường là dạng cực máng hở (opendrain hay opencollector) Giá trị của các điện trở này khác nhau tùy vào từng thiết bị và chuẩn giao tiếp, thường dao động trong khoảng 1k đến 4.7k

- Chế độ cao tốc High-Speed (Hs) mode

Hình 1.8 Chuẩn giao tiếp I2C

Trình tự truyền bit trên đường truyền:

Hình 1.9 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi

- Thiết bị chủ tạo một điều kiện start Điều kiện này thông báo cho tất cả các thiết bị tớ lắng nghe dữ liệu trên đường truyền

- Thiết bị chủ gửi địa chỉ của thiết bị tớ mà thiết bị chủ muốn giao tiếp và cờ đọc/ghi dữ liệụ (nếu cờ thiết lập lên 1 thì byte tiếp theo được truyền từ thiết bị tớ đến thiết bị chủ, nếu cờ thiết lập xuống 0 thì byte tiếp theo truyền từ thiết bị chủ đến thiết bị tớ)

- Khi thiết bị tớ trên bus I2C có địa chỉ đúng với địa chỉ mà thiết bị chủ gửi sẽ phản hồi lại bằng một xung ACK

- Giao tiếp giữa thiết bị chủ và tớ trên bus dữ liệu bắt đầu Cả chủ và tớ đều có thể nhận hoặc truyền dữ liệu tùy thuộc vào việc truyền thông là đọc hay viết Bộ truyền gửi 8 bit dữ liệu tới bộ nhận, bộ nhận trả lời với một bit ACK

- Để kết thúc quá trình giao tiếp, thiết bị chủ tạo ra một điều kiện stop

Điều kiện START và STOP (START and STOP conditions)

START và STOP là những điều kiện bắt buộc phải có khi một thiết bị chủ muốn thiết lập giao tiếp với một thiết bị nào đó trên bus I2C START là điều kiện khởi đầu, báo hiệu bắt đầu của giao tiếp, còn STOP báo hiệu kết thúc một giao tiếp Hình dưới đây mô tả điều kiện START và STOP.Ban đầu khi chưa thực hiện quá trình giao tiếp, cả hai

đường SDA và SCL đều ở mức cao (SDA = SCL = HIGH) Lúc này bus I2C được coi

là rỗi (“bus free”), sẵn sàng cho một giao tiếp Hai điều kiện START và STOP là không thể thiếu trong việc giao tiếp giữa các thiết bị I2C với nhau

Hình 1.10 Điều kiện start stop

Điều kiện START: một sự chuyển đổi trạng thái từ cao xuống thấp trên đường SDA

trong khi đường SCL đang ở mức cao (cao = 1; thấp = 0) báo hiệu một điều kiện START

Đỉều kiện STOP: một sự chuyển đổi trạng thái từ mức thấp lên cao trên đường SDA

trong khi đường SCL đang ở mức cao Cả hai điều kiện START và STOP đều được tạo ra bởi thiết bị chủ Sau tín hiệu START, bus I2C coi như đang trong trạng thái làm việc (busy) Bus I2C sẽ rỗi, sẳn sàng cho một giao tiếp mới sau tín hiệu STOP từ phía thiết bị chủ

Sau khi có một điều kiện START, trong quá trình giao tiếp, khi có một tín hiệu START được lặp lại thay vì một tín hiệu STOP thì bus I2C vẫn tiếp tục trong trạng thái bận Tín hiệu START và lặp lại START (Repeated START) đều có chức năng giống nhau là khởi tạo một giao tiếp

1.4.3 Chuẩn giao tiếp HTTP

Giao thức HTTP( hypertext Transfer Protocol) là một giao thức internet Nó tạo điều kiện giao tiếp giữa các server và client hỗ trợ WWW( Worl Wide Web) Đây là giao thức phổ biến được sử dụng để tải dữ liệu điều khiển các thiết bị thông minh bằng vi điều khiển Esp32 lên Firebase Được sử dụng do HTTP là một giao thức đơn giản, dễ sử dụng Tuy nhiên, HTTP không an toàn Client và server chuyển dữ liệu qua HTTP dưới dạng văn bản thuần túy, vì vậy nên bất kỳ ai chặn nó đều có quyền truy cập đầy đủ nội dung

HTTP được xây dựng theo mô hình client-server Trong mô hình này, máy khách đóng vai trò client, máy chủ đóng vai trò server Client là thiết bị yêu cầu dữ liệu từ server Server là thiết bị cung cấp dữ liệu cho client

Các phương thức HTTP phổ biến : - GET : truy xuất dữ liệu từ server - POST : tạo dữ liệu mới

- PUT : cập nhật dữ liệu - DELETE : xóa dữ liệu

Cách thức hoạt động của HTTP

Khi truy cập vào một trang web sử dụng giao thức HTTP→ trình duyệt web sẽ thực hiện các phiên kết nối đến server của trang web đó( thông qua 1 địa chỉ IP, do hệ thống phân giải tên miền DNS cấp) → server sau khi nhận lệnh→ trả về các lệnh tương ứng giúp web có hiển thị đầy đủ các nội dung

Hình 1.12 Cách thức hoạt động của HTTP

Các thông tin được gửi qua giao thức http không hề được mã hóa và bảo mật Vậy nên dữ liệu có thể bị đánh cắp

Bảo mật của giao thức HTTP

Xác thực giúp xác định người dùng và máy chủ trước khi giao tiếp Giúp ngăn chặn những kẻ tấn công giả mạo danh tính của người dùng hoạc máy chủ

Dể tăng cường bảo mật của giao thức HTTP, có thể sử dụng các phương pháp sau:

- Sử dụng HTTPS: là một phiên bản của HTTP sử dụng mã hóa để bảo vệ dữ liệu được truyền

- Sử dụng xác thực: giúp xác định người dùng và máy chủ trước khi giao tiếp - Sử dụng kiểm soát truy cập: giúp hạn chế quyền truy cập vào dữ liệu

Xác thực

Có những phương pháp xác thực như: - Xác thực cơ bản: sử dụng tên người dùng và mật khẩu để xác thực người dùng - Xác thực HTTP Digest: sử dụng một hàm băm để bảo vệ mật khẩu khỏi bị đánh

cắp - Xác thực Oauth: là phương pháp xác thực dựa trên ủy quyền

Kiểm soát truy cập

Giúp hạn chế quyền truy cập vào dữ liệu Nhiều phương pháp như : - Quyền truy cập dựa trên vai trò : sử dụng vai trò của người dùng để xác định quyền

truy cập của người dùng - Quyền truy cập dựa trên chính sách : sử dụng các quy tắc để xác định quyền truy

Được gửi đi dưới dạng văn bản thuần túy nên không an toàn và có thể bị tấn

công dễ dàng

Dữ liệu được mã hóa khi gửi đi nên an toàn và khiến hacker khó tấn công Một giao thức lớp ứng dụng Một giao thức lớp vận chuyển

Không dùng SSL Dùng SSL cung cấp mã hóa dữ liệu Tốc độ tải trang nhanh Tốc độ tải trang chậm hơn vì nó hỗ trơ

thêm các tình năng bảo mật

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Chọn phần cứng đáp ứng yêu cầu

2.1.1 Vi điều khiển

a) Vi điều khiển ESP32 38 pines

ESP32 được phát triển bởi Espressif Systems, nhờ sử dụng công nghệ 40 nm Đây là sản phẩm được kế thừa từ vi điều khiển ESP8266 Nhờ giá rẻ, tiết kiệm năng lượng với sự tích hợp kép giữa Wi-Fi và bluetooth và có nhiều tính năng nên ESP32 là sự lựa chọn phổ biến cho các dự án IoT

Hình 2 1 Vi điều khiển ESP32

Cấu trúc phần cứng của dòng chip ESP32

- Sử dụng 32 bit tên là Tensilica Xtensa LX6 hoặc LX7 hai lõi - Tần số đồng hồ: 160 Hz → 240 Hz

- Bộ nhớ RAM : 400 kb, được sử dụng để lưu trữ dữ liệu tạm thời Có tích hợp bộ nhớ flash lên đến 16 MB được sử dụng để lưu trữ chương trình và dữ liệu

- Có nhiều chuẩn giao tiếp như: Wi-Fi, Bluetooth, I2C, SPI, UART, SDIO - ESP32 còn có: ADC, DAC, bộ đếm thời gian và PWM

Mạch nguyên lý của ESP32

Hình 2 2 Mạch nguyên lý của ESP32 Nguyên lý hoạt động:

- Sau khi được cấp nguồn, ESP32 sẽ thực hiện kiểm tra khởi động để xác minh tính toàn vẹn của firmware

- Sau đó ESP32 sẽ nạp chương trình từ bộ nhớ flash vào bộ nhớ Ram - Sau đó nó sẽ thực thi chương trình đã được nạp vào bộ nhớ Ram Chương trình sẽ

thực hiện các tác vụ được lập trình bởi người dùng

Sơ đồ chân của ESP32

Hình 2 3 Sơ đồ chân của ESP32

- Chân nguồn: vi điều khiển có 2 chân nguồn là VCC (3.3V) và GND - Chân I/O: ESP32 có 36 chân I/O, tuy nhiên không phải chân nào cũng có thể sử

dụng Ví dụ như chân BOOT (GPIO0) dùng để nạp chương trình, chân EN (RST) dùng để reset

- Chân Analog: ESP32 có 18 chân analog, có thể đọc giá trị điện áp từ 0 đến 3.3V - Chân PWM: ESP32 hỗ trợ PWM trên mọi chân I/O, cho phép điều chỉnh độ rộng

xung để điều khiển các thiết bị như động cơ servo, LED - Chân I2C và SPI: ESP32 hỗ trợ giao tiếp I2C và SPI, cho phép kết nối với nhiều

loại cảm biến và mô-đun khác nhau - Chân UART: ESP32 có 3 cổng UART, cho phép giao tiếp nối tiếp với các thiết bị,

linh kiện khác

b) So sánh chip ESP32 với chip ESP8266

Bảng 2.1 So sánh chip ESP32 với chip ESP8266

ESP32 là bản nâng cấp của ESP8266, có 34 chân GPIO với bộ xử lý lõi kép Xtensa 160MHz ESP32 cung cấp quyền truy cập điều khiển từ xa, cảm biến nhiệt độ, cảm biến cảm ứng Nó được bảo mật nhờ mã hóa flash khởi động an toàn 1024 bit OTP với PWM Ở đề tài này, ESP32 có nhiều chân GPIO để thuận tiện kết nối với các linh kiện hơn Cung cấp bảo mật công nghệ cao và đáng tin cậy Trong khi đó, esp8266 ít chân GPIO, và cần thêm vi điều khiển khác như arduino uno để thuận tiện trong việc kết nối và xử lý linh kiện

c) Các loại chip ESP32 trên thị trường:

Khi lựa chọn chip cho dự án, cần cân nhắc đến các yếu tố như tốc độ xung nhịp, kích thước của bộ nhớ, các tính năng tích hợp, để lựa chọn loại chip cho phù hợp

ESP32-D0WDQ6

Hình 2 4 ESP32-D0WDQ6

- Điện áp hoạt động: 2.3V → 3.6V - Bộ nhớ RAM: 320 kb và bộ nhớ flash 4 MB - Các chuẩn dữ liệu: CAN, I2C, I2S, SDIO, SPI, UART

ESP32-U4WDH

- Đây là loại chip có khả năng kết nối với mạng Ethernet - Nổi bật với sự kết hợp giữa Wi-Fi 2.4 GHz đơn băng và bluetooth 4.2 - Kích thước nhỏ gọn 5 x 5 mm

- Sử dụng bộ xử lý Xtensa LX7 lõi đơn - Phù hợp với các ứng dụng đơn giản và tiết kiệm năng lượng vì chỉ tập trung vào

băng tần 2.4 Ghz