Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Thiết kế và hiện thực các thiết bị IoT ứng dụng cho việc giám sát và điều khiển nhà thông minh sử dụng BLE Mesh

TÓM TÁT KHÓA LUẬNĐề tài “Thiết kế và hiện thực các thiết bị IoT ứng dụng cho việc giám sát và điều khiển nhà thông minh sử dụng BLE Mesh” là đề tài nghiên cứu, phát triển và hiện thực hệ

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TÍNH

LE TUẦN MINH - 19521837 NGUYEN TIEN DAT - 19521342

KHOA LUAN TOT NGHIEP

THIET KE VA HIEN THUC CAC THIET BI IOT UNG

DUNG CHO VIEC GIAM SAT VA DIEU KHIEN NHA

THONG MINH SU DUNG BLE MESH

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF IOT DEVICES FOR SMART HOME CONTROL AND MONITORING USING BLE

MESH NETWORK

KỸ SƯ KỸ THUAT MAY TÍNH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

THẠC SĨ PHAN ĐÌNH DUY

TP HO CHÍ MINH, 2023

LOI CAM ON

Lời đầu tiên gửi đến, chúng em — Nguyễn Tiến Dat và Lê Tuấn Minh xin

chân thành cảm ơn Quý thầy cô trường Đại học Công nghệ Thông tin, Đại học

Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã đồng hành, truyền đạt những kinh nghiệm, kiến thức quý báu của mình cho chúng em trong suốt bốn năm học dài.

Hơn nữa, chúng em muốn gửi lời cảm ơn đến Quý thầy cô khoa Kỹ thuật

Máy tính, những người đã cung cấp các kiến thức nền tảng và quý báu liên quan đến ngành học dé phục vụ cho tương lai nghề nghiệp chúng em sau này Ngoài

ra, chúng em muốn cảm ơn các quý thầy cô vì đã luôn tìm tòi và truyền đạt những

kiến thức mới nhất dé chúng em có thé vận dụng và hoàn thiện được đề tài khóa luận tốt nghiệp hôm nay.

Đặc biệt hơn nữa, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy phó trưởng khoa Kỹ thuật Máy tính, thầy Phan Đình Duy Chúng em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến với thầy, người thầy mà đã hỗ trợ chúng em nhiệt

tình từ những ngày đầu thực hiện các dé tài cho Đồ Án 1, Đồ Án 2 và cho đến

Khóa luận Tốt nghiệp Để hoàn thành được khóa luận này, chúng em phải nhờ vào sự hỗ trợ và đóng góp ý kiến của thầy trong suốt quá trình học tập và thực

hiện khóa luận.

Bên cạnh đó cũng không thể quên gửi lời cảm ơn Câu lạc bộ học thuật CEEC

đã giúp đỡ, cùng nhau nghiên cứu, giao lưu trao đổi kiến thức, tạo sân chơi lành

mạnh và phát triển cho toàn thể sinh viên khoa Kỹ thuật Máy tính.

Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn!

Tp Hô Chí Minh, ngày 24 tháng 07 năm 2023

Nhóm sinh viên

Nguyễn Tiến Đạt Lê Tuấn Minh

MỤC LỤC

Chương 1 > TONG QUAN DE TAL -2222-222222 2222222222312 222cc 4

1.1 Tình hình trong và ngoai nưỚC - ¿5+ c+trtetrterrrerkerrrrerrree 4

1⁄2 Tổng quan để tài -2-+2++2222+2222221112222111122721122271112.77112 2 1 cce 5

1.3 MUC na 7

Chương2 CƠ SỞ LÝ THUYET

2.1 Tổng quan về BLE -222222+++222EEEEEYEEt2222211111 212111 re 9 2.1.1 Giới thiệu về giao thức không day BLE.

2.1.2 _ Cấu trúc liên kết mạng BLE Mesh -ccc+++c++ 0

2.1.3 So sánh các đặc tính giữa BLE, Zigbee và Z - Wave

2.1.4 Lý do chọn giao thức mang BLE được triển khai theo mô hình mang

Mesh cho hệ thống nhà thông miỉnh :¿£22v222+zz+t22Evvvvccerrrrr 2

2.2 Node]S§

2.2.1 Khái niệm series 3

2.2.2 Ưu và nhược điểm

2.2.3 _ Lý do sử dụng c SH 5 2.3 Giao thức MQTT [2] - <5: Sky 6

2.3.1 Khái niệm + ¿+ kk TT THHH HH HH it 6

2.3.2 Tính năng, đặc điỂm: ảá 55c 222cc 2x H1 1111021121111 7

2.3.3 Ưu và nhược điểm òcceekerrrriririrrrrirre 7

2.4 ESP-WHO và giải thuật deep Ïearning - - ‹- c5 s+svsscexsxexexrree 9

2.4.1 _ Giới thiệu về deep learning ccc++c2ccvvvccrecrrrrr 9

2.4.1.1 Cách thức hoạt động của Deep Learning - -+ 9

2.4.1.2 Một số ứng dụng của Deep Learning -. 20

2.4.2 Giới thiệu về ESP-WHO ccccccccttrrirrrrrrrrriirrrrrrer 20 2.5 Tìm hiểu về hệ điều hành Android

2.5.1 Khái niệm c S2 the 21

2.5.2 Kiến trúc cơ bản của hệ điều hành Android

2.6 ESP32 Hee 23

2.6.1 — Giới thiệu chung

2.6.2 Thông số kỹ thuật -+2222+++22EE++ttSEEEEerrtrrkerrrrrrrcee 24

2.7 RFID

2.7.1 Giới thiệu CHUNG eae eeeesccecscccccsecsssssssnsnnnsnnsnenstssesseseeceeeeeeeeeeensnsnnnnnntenee 25

2.7.2 Dái tần hoạt động của hệ thong RFID : -c:c5sc+2 26 2.7.3 Thông số kỹ thuật 5222cvcvcrrsrrrrrrrrerrrrrrer 27 2.7.4 Các chân kếtnôi c-ccccccccccccvrerrrrrrrrrrrrrreerrre 28 Chương 3 | PHAN TÍCH VÀ THIẾT KE HỆ THÓNG - 29

3.1 Sơ đồ truyền dữ liệu của hệ thống [2][5] - -: ccz-5+ 29

3.2 Lưu đồ giải thuật -55555ccccceeccrveerrrresrrrrrerrsrrrrre ,3Ô)

3.2.1 Ứng dụng Android -.cc-:522ccvvecvrrrrrrrrvseerrerrrer 30

3.2.2 kì 31 3.2.3 Gaf€Way HH HH re 32

3.2.4 CAC NOE Ẻ.57 a 33

3.3 Xác thực thông tin người dùng trước khi sử dung ứng dung 34

Chuong 4 KÉT QUA THỰC NGHIỆM -©2z++222+zcrrcrxscee 35

4.1 Kết quả số liệu đo về việc truyền nhận gói tin bằng BLE Mesh [3] 35

4.2 Bang khảo sát ty lệ chính xác của việc nhận diện khuôn mặt trên ESP-CAM

35

4.3 Năng lượng tiêu thụ ESP khi dùng BLE ở mode Active [6] 38

4.4 Thiết kế schematic và PCB.

4.4.1 Mạch Light Dimmer 5-5555 5+5++c+<+sscsx+ 39 4.4.2 — Mạch relay

4.4.3 Mach lock door và camera nhận diện - ¿+5 -+s+++s£+x+xsxz 43 4.4.3.1 Mach lock door.

4.4.3.2 Mạch camera nhận điỆn - ¿+52 s2 +++ezveeexserrrerrrresrrrr 45

4.4.4 Mạch biển thị cảm biến nhiệt độ, độ âm

4.5 Mô tả chức năng phần cứng :©22++222+++ttEEEEvrettrrvrrrrrrrrrrerrkev 48

4.5.1 Chức năng mach light dimimer - ee 55+ <+s+se+++se 48

4.5.2 Chức năng mạch Relay ¿-55555+5cccc+xseeeeeerscee 49

4.5.3 | Chức năng mach lock door và camera nhận diện - 50

4.5.4 Chức năng mạch hién thị nhiệt độ, độ ẩm - -z-= 52

4.6 Nodejs Server va quản ly Database -¿-+5c+sce+eztsesrersreree 53

4.7 Ứng dụng Android [Ï] -: 22222222+z+22222E2SSvvrrretrrrrvvrrrrrrrrrrrrree 54

4.7.1 Xác thực người dùng - «CS 55

4.7.2 Giao diện chính -¿- c2 3t St 3S St EEEEekSeeErkersskrrkerreresree 57

4.7.3 Thiết lập kết nGie.eccccccccssceccssssesscsssssessssssecesssseccssssecesssseecssssuesesssseesea 57 4.74 Thêm, sửa, xóa thiẾt bị -.2¿-222¿2222+++t2222E+etvExvrrerrrrrrrrrr 59

4.7.5 _ Các tính năng khác cty 60

Chương 5 KÉT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÊN -cc+ 62

=“‹.) 62 5.1.1 Ưuđiểm crrrrrrrrrrrrrrrrie 62 5.12 Nhược điểm -cccc2222+ccEEEEErrrEErkrrrrrrrrrrrrrrrrvee 62

5.2 KẾt luận -22 22222222 2222112222111 1.1 ccrrei 5.3 Hướng phát triền -+:+22++++t222+++tEEEEvrrrtErkrrrtrrrtrrrrrrkrreerrkei

DANH MỤC HÌNH

Hinh 1.1 So 6 6 thong SE ma 6

Hình 2.1 Cầu trúc liên kết mang BLE Mesh . -55555ccccccssrrrcrreeeeree 10 Hình 2.2 Cơ chế hoạt động của NOCTS tt hit 14

Hình 2.3 Mô tả về ludng dữ liệu trên giao thức MQTT -.-:© c-sce+c+ 16

Hình 2.4 Mô hình phát triển ESP-WHO dựa trên giải thuật Deep Learning 21

Hình 2.5 NodeMCU E.SP32 - + + SE E* HE HT g1 it 24

Hình 2.6 RFID DỈHOHÍ vn HH HH gu 26

Hình 3.1 Sơ đồ truyền dữ liệu của hệ thống -¿-cccccccccccvccccccseecrrr 29

Hình 3.2 Lưu đồ giải thuật cho ứng dung Android -cccccccccccccccecccee 30 Hình 3.3 Lưu đồ giải thuật cho SCrver cecsssssssssessssessssesssssessssessssesssseesssuessssesessecesseees 31

Hình 3.4 Lưu đô giải thuật cia gatewAy vcccssscesssssssssserssseesssssessssssscsssssisssssssissesssseeees 32

Hình 3.5 Lưu đ giải thuật cho các NOC escecsscsssssessssessvsessssessssessssvesssuesssiessssecessvees 33

Hình 3.6 Đăng ky tài khoản sử dung ứng dụng -5- 5< 5<555c+c+c+c<++ 34

Hình 3.7 Lấy lại mật khẩu ` Í 34 Hình 4.1 Nhận diện khuôn mặt với điều kiện ánh sáng ban ngày dO

Hình 4.2 Nhận diện khuôn mặt với điều kiện ánh sáng đèn bình thường 37 Hình 4.3 Nhận diện khuôn mặt với điều kiện NQUOC SANG 55555555 << 37

Hình 4.4 Nhận diện khuôn mặt với điều kiện ánh sáng HỜ -.-.-. .-.- DS

Hình 4.5 Schematic mach light đỉimH€F 5-5-5555 5+S++ccxesesceexeeerere 39

Hình 4.6 PCB mạch light dÌHHIH€L 5c St tt St SEeEEkskeEtEtkerkrekekeskrrreerkd 40 Hình 4.7 Schematic mạch relay St StsikeEkkskerkerererereerrrrerrrrvd Al Hình 4.8 PCB mạch r€Ï4Iy SE ghe 42

Hình 4.9 Schematic mach lock COOP SE ESeEsEexerEekrrrskrrrkreerer 43

Hình 4.10 PCB mach lock door (Bottom ÏAY€T) - 5-5-5 55+ S++x+‡exeEvrevererere 44 Hình 4.11 PCB mach lock door (Top layer) c5 Set sveveeEereteeetserrrererseg 44

Hình 4.12 Schematic mạch camera nhận điỆN - - 55-55 + sssvsseeeeveeesexsv 45 Hình 4.13 PCB mạch camera nhận điỆH - c5 + Sex ESESvxeexeeeseeseeseee 46

Hình 4.14 Schematic mach đọc cảm biến nhiệt độ, độ dm

Hình 4.15 PCB mạch đọc cảm biến nhiệt độ, độ ẩm -c+ccccccccrerree 47

Hình 4.16 Mach light dimmer thực té cccccccsssssssssvsssssssssesssssseesessssecessssiesesessssesssseeees 48

Hình 4.17 Mach light dimmer được đóng gÓi 5c 5< S+Sx+eeekerereterrrrre 49

Hình 4.18 Mạch relay thực 49

Hình 4.19 Mach relay được đóng gÓI - St SnkehErkrerererekerrrrrerree 50

Hình 4.20 Mach lock door và camera nhận diện thực tÊ - 5+5 + 5s s<+ss« 50

Hình 4.21 Mạch lock door và camera nhận diện được đóng gói (mặt trước) 51

Hình 4.22 Mach lock door và camera nhận diện được đóng gói (mặt trái) 52

Hình 4.23 Mach hiển thị nhiệt độ, độ ẩm thực tế eeccrcceeeeeeerrrrrrreee 52

Hình 4.24 Mạch hiển thị nhiệt độ, độ ẩm được đóng gói c-cc 2 53 Hình 4.25 Cấu trúc database cho hệ thống -: :©cccz+cccsccccscsccsesrcsee 53

Hình 4.26 Giao diện đăng ký và đăng nhậpp - + +5+55+c+c+s<++ 55

Hình 4.27 Giao diện quên mật khẩu

Hình 4.28 Giao điện màn hình chính va add room dialog

Hình 4.29 Trang quét thiết bị và trang thiết lập kịch bản

Hình 4.30 Giao diện phòng điều khiển thiết bị

Hình 4.31 Giao diện profile người dùng va drawer navigation

Hình 4.32 Bottom dialog Google A$SiSfQHI S5 5+ S+c+tst‡txeEexeeseetseevxerexeed 61

DANH MỤC BẢNG

Bang 1.1 Bảng mô tả các mục tiêu chỉ tiết về các thiết bị trong nhà - 8

Bang 2.1 So sánh đặc tinh giữa BLE, Zigbee và Z - WAqVe -c-c=+<ce<sc+ 12

Bảng 2.2 Mô tả về các chân kết nói RFID -cccccccS22cvcvvvcresrrrrrrrreercee 28

Bang 4.1 Bảng kết quả do số lượng gói tin nhận được trên BLE Mesh 35 Bảng 4.2 Kết quả khảo sát tỷ lệ nhận diện khuôn mặt trên ESP-CAM 35

Bảng 4.3 Năng lượng tiêu thụ dựa vào tuổi thọ pin Li-ion 18650 4800 mAh 3.7 V.38

DANH MỤC TU VIET TAT

STT | Cum tir viét tit Cum từ được viết tắt

1 | BLE Bluetooth Low Energy.

2 |MQTT Message Queuing Telemetry Transport.

3 | RFID Radio Frequency Identification.

4 | UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter

5 |12C Inter Integrated Circuit

6 | SPI Serial Peripheral Interface

7 |API Application Programming Interface

8 |IoT Internet of Things

9 | ADC Analog to Digital Converter

0 | API Application Programming Interface

1 | ESP32 ESP32-WROOM

2 | MISO Master Input Slave Output

13 | MOSI Master Output Slave Input

4 |SCK Serial Clock

5 |CS Chip Select

TÓM TÁT KHÓA LUẬN

Đề tài “Thiết kế và hiện thực các thiết bị IoT ứng dụng cho việc giám sát và điều khiển nhà thông minh sử dụng BLE Mesh” là đề tài nghiên cứu, phát triển

và hiện thực hệ thống được dùng cho việc giám sát và điều khiển các thiết bị trong

nhà Hệ thống bao gồm ESP32 và ESP-CAM có nhiệm vụ truyền nhận và xử lí

các thông tin trạng thái ngôi nhà sử dụng mạng lưới BLE, sau đó hiển thị các dữ

liệu thu thập được lên ứng dụng điện thoại thông qua internet.

Hệ thống sẽ có các module để điều khiển và giám sát mọi hoạt động trong nhà Mỗi một module đều có 1 board ESP32 có thẻ kết nối với BLE Các module

được bố trí ở một vị trí cụ thể trong căn nhà như: phòng khách, phòng ngủ, phòng bếp, hành lang, cửa chính Hệ thống bao gồm 5 mạch (mạch gateway -

provisioner, mạch giám sát nhiệt độ - độ âm, mạch relay, mạch điều chỉnh độ sáng

đèn và một mạch điều khiển, giám sát cửa ra vào), server dùng đề phân phối, lưu trữ và điều khiển luồng dữ liệu phù hợp, ứng dụng trên điện thoại sử dụng giọng

nói để điều khiển (được tích hợp tính năng của Google Assistant).

Ngoài ra, dé tài còn có một điểm nổi bật là sử dụng kỹ thuật deep learning

cơ bản dé ứng dụng cho việc nhận diện khuôn mặt trên ESP-CAM với chi phí phát triển thấp hơn so với một số phần cứng khác, phục vụ cho mục đích đóng

mở cửa ra vào.

Đề tài hướng đến việc điều khiển tat cả các thiết bị trong nhà một cách nhanh

chóng và tiện lợi, với mục tiêu là tiết kiệm chỉ phí phát triển hệ thống được đưa lên hàng đầu.

MỞ ĐÀU

Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ 4.0 hiện nay Việc một người sở hữu một thiết bị công nghệ như máy tính hoặc smartphone có kết nối internet đã trở thành chuyện bình thường đối với đại đa số người Những thiết bị

đó giúp con người có thể trao đổi thông tin qua các ứng dụng, phần mềm nhanh

chóng Để đáp ứng nhu cầu của con người về việc kết nối với nhau nên mạng Internet ngày càng phát triển nhanh về tốc độ đường truyền và mật độ bao phủ.

Hơn nữa, việc bất kỳ thiết bị nào cũng có thể kết nối với internet đã trở thành xu

hướng hiện nay (IoT) Nhiều dự án đã được hình thành từ các ý tưởng này như: smart city, smart garden, smart mirror Nổi bật nhất trong những dự án trên đó

là dự án thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị nhà thông minh Chỉ cần

có một chiếc smartphone trong tay, người dùng có thẻ giám sát cũng như điều

khiển các thiết bị thông minh trong nhà Hệ thống đèn chiếu sáng trong nhà có thể tự động bật tắt theo theo ý muốn của người dùng mà không cần sử dụng bất

cứ công tắc nào Bên cạnh đó, người dùng có thé đặt lịch theo kịch ban dé hệ

thống tự điều khiển và xử lí tình huống tương ứng Đặc biệt, tính năng bảo mật

an ninh trong nhà được đặt lên hàng đầu nhằm bảo vệ ngôi nhà khỏi sự dom ngó

của những kẻ gian Đặc biệt hơn, hệ thống có thể được điều khiển bằng giọng nói

một cách tiện lợi được hỗ trợ bởi các tính năng của Google Assistant.

Ở nước ta hiện nay, các dự án về hệ thống nhà thông minh cũng đã xuất hiện

khá nhiều và được phổ biến rộng rãi, nhiều công ty lớn ở nước đang mở rộng đầu

tư vào các dự án trong nước nhưng chỉ phí đầu tư cho các thiết bị cảm biến cũng như hệ thống server cho ngôi nhà thì phải tốn nhiều chỉ phí lắp đặt, tiêu thụ điện

năng và cũng chưa đồng nhất với ngôi nhà Vì vậy, các nhà ở nước ta vẫn chưa

thể ứng dụng hệ thống này với số lượng lớn vào thực tế.

Với những lý do trên, nhóm chúng em nghĩ đến việc xây dựng hệ thống các thiết bị nhà thông minh sử dụng BLE Mesh có thé điều khiển và giám sát được từ

xa bởi các thiết bị thông mỉnh trong nhà bắt cứ nơi nào có thể kết nối internet với

chi phí thấp, dễ dàng lắp đặt Bên cạnh đó, hệ thống có thể lưu trữ mọi hoạt động

trong nhà và từ đó sẽ hiển thị các thông tin đó cho người dùng biết.

Chương 1 TONG QUAN DE TÀI

1.1 Tinh hình trong và ngoài nước

Hiện nay thuật ngữ IoT (Internet of Thing) được biết đến rộng rãi, đây là một hệ thống các thiết vật lý có mối quan hệ mật thiết với nhau, có khả năng

truyền nhận dit liệu cho nhau thông qua kết nối internet Với sự phát triển hiện đại của công nghệ, các sản phẩm thông minh ra đời cùng với những tính năng

vượt trội, mang lại sự tiện lợi cho người dùng Trong đó, hệ thống nhà thông minh

là một ứng dụng đưa tới những cải thiện cho chất lượng cuộc sống hiện nay Trên thế giới, các dé tài nghiên cứu về hệ thống nhà thông minh được phổ biến rộng

rãi với nhiều kiểu cách phát triển khác nhau Theo Statista, năm 2027 toàn cầu sẽ dat 222.9 tỷ USD doanh thu trong lĩnh vực hệ thống nhà thông minh với CAGR

2022-2027 (tỉ lệ tăng trưởng kép hàng năm) là 12.47% Trong khi đó, ở Việt Nam

sẽ đạt tỉ lệ 22.6% các thiết bị giám sát và điều khiển hệ thống nhà thông minh

được triển khai và phát triển Như vậy, trong năm 2027, Việt Nam dự kiến sẽ có

khoảng 6 triệu hộ gia đình sử dụng các thiết bị thông minh trong nhà Nắm bắt được xu hướng thé giới, một số công ty công nghệ nồi tiếng trên thế giới đã và

đang tiến hành xây dựng nhà thông minh như Siemens (Đức), Schneider (Pháp), Fibaro (Ba Lan), Azura (Úc), đã đưa đến cho người dùng một hệ thống nhà

thông minh với những công nghệ tiên tiến mang lai sự tiện lợi cho người dùng cũng như đưa ra những giải pháp tối ưu hàng dau cho hệ thống nhà thông minh

có tính chuyên nghiệp, hệ thống xử lí thông tin nhanh chóng và an toàn.

Nước ta hiện nay đã và đang là một trong những quốc gia có xu hướng tăng dần về mặt nghiên cứu và phát triển hệ thống nhà thông minh hiện đại sử dụng các công nghệ tiên tiến, điển hình như một số công ty cung cấp mô hình nhà thông

tin tại Việt Nam như Hunonic, Lumi, BKAV, Acis,

Cụ thể hơn một số giải pháp do công ty Hunonic sản xuất và cung cấp:

— Bật tắt hệ thống đèn tự động sử dụng công tắc cảm ứng thông minh thông qua

điện thoại.

— Đặt chế độ hẹn giờ theo kịch bạn để đóng mở công tắc điều khiển bình nóng

lạnh.

— Điều khiển công tắc từ xa hệ thống tưới tiêu trong nông nghiệp.

— Sử dụng điện thoại để điều khiển các thiết bị hồng ngoại dùng để bật tắt các

thiết bị như điều hòa, tivi, quat,

— Hệ tưới tiêu, bơm nước tự động theo giờ.

— Sử dụng điện thoại đề điều khiển từ xa hệ thống rèm, cửa tự động.

Trong những năm gần đó tại khoa Kỹ thuật Máy tính cũng có nhiều đề tài nghiên cứu và xây dựng các hệ thống nhà thông minh Tiêu biểu trong đó có đề

tài khóa luận tốt nghiệp năm 2019 với tên “Nghiên cứu và ứng dụng nền tảng mở home assistant vào hệ thống nhà thông minh” Dé tài gặp một số van đề khi mở

rộng phạm vi kết nói các thiết bị cũng như khả năng đảm bảo các gói tin trong suốt quá trình truyền nhận Bên cạnh đó, đề tài khóa luận “Điều khiển và giám

sát thiết bị nhà thông minh thông qua giọng nói, ứng dụng điện thoại và website”

được thực hiện trong năm 2021 Đề tài đa được thực hiện gần như đầy đủ các tính năng cũng như tiện ích phục vụ cho nhu cầu của người dùng Tuy nhiên, đề tài

trên gặp phải một số vấn đề khi mở rộng node, việc đồng bộ và truyền tải thông

tin trở nên phức tạp, mat nhiều thời gian dé phản hồi giữa các node gây ảnh đến tiêu chí thời gian thực vốn có của một hệ thống IoT.

1.2 Tổng quan đề tài

Nhà thông minh là một tập hợp các giải pháp về các thiết bị điện, đồ dùng

bên trong ngôi nhà như đèn chiếu sáng, cửa, điều hòa, rèm, tivi, tủ lạnh, được

liên kết với thiết bị có kết nối mạng lưới BLE, nhằm đáp ứng khả năng tự giám sát và điều khiển ké cả khi mắt kết nối internet.

Với mục tiêu phát triển và ứng dụng dé dàng vào thực tiễn, nhóm đã phát

triển thành các module tách rời tương ứng với chức năng cụ thể, mỗi module sẽ

được lặp đặt vào một chiếc hộp được thiết

năng và kích thước của mạch.

ế lại sao cho phù hợp với từng tính

Module camera nhận diện và module lock door nhận diện khuôn mặt sẽ được

đặt tại cửa chính Module camera có chức năng nhận diện khuôn mặt và gửi kết

quả đến module lock door để thực hiện việc đóng mở cửa Module lock door có

nhiệm vụ xử lí thông tin từ camera đồng thời gửi trạng thái của cả module camera

va module lock door đến gateway Ngoài ra, người dùng còn có thé dùng thẻ từ

đã được xác thực để mở cửa chính.

Gateway sẽ được đặt tại phòng khách hoặc hành lang Vì gateway là một

module quan trọng nhất trong hệ thống nên phải được đặt ở nơi rộng rãi, thoáng

và có thể phủ sóng toàn bộ các module trong nhà.

Module relay có thể được đặt bất kỳ vị trí nào trong ngôi nhà Vì module relay có chức năng đóng mở nguồn điện cung cấp cho các thiết bị trong hệ thống

nhà.

Module light dimmer sẽ phù hợp cho việc đặt trong những phòng cần điều

mục tiêu hàng đầu Hệ thống có thể giám sát các chế độ an ninh và gửi thông báo đến người dùng lên ứng dụng Android khi có trường hợp khẩn cấp xảy ra Bên

cạnh đó, hệ thống còn đưa ra một số kịch bản có thể xảy ra trong nhà thông minh,

từ đó giải quyết van đề còn tồn tại của bài báo trên Sau đây là bảng mô tả chi về

nội dung và mục tiêu cần hướng đến tương ứng với từng thiết bị bên trong nhà.

Nội dung Cách thức hoạt động Mục tiêu

Gateway App sẽ gửi dữ liệu lên Server dé

cập nhật dữ liệu Sau đó, Server

sẽ chuyên đữ liệu đó về

gateway Gateway sử dụng

BLE để truyền nhận và thay đồi

dir liệu từ phía Device.

Giao tiếp được giữa các node với

gateway.

Gateway có thé nhận dữ liệu từ

server để gửi dữ liệu cho các node.

Bên cạnh đó, gateway thu thập dữ liệu và gửi lên Server.

Đèn Bật, tắt đèn khi bước vào phòng

hoặc sử dụng cầu thang mà

không cần phải tìm công tắt đề

Cửa chính Sử dụng RFID hoặc nhận diện

khuôn mặt dé có thé mở cửa từ

bên ngoài vào Nếu có người có

tình đột nhập vào bên trong thì

hệ thống sẽ báo động thông qua

loa.

Kết nối nói với server dé thực hiện

việc đóng mở cửa chính.

Nếu phát hiện có người sử dụng

sai thẻ hoặc nhận diện khuôn mặt

thất bại thì hệ thống sẽ báo động

LCD hoặc ứng dụng về nhiệt độ

và độ âm trong nhà.

Giao tiép với cảm biên nhiệt độ đê

kiểm tra nhiệt độ trong nhà

Firebase Cung cấp đữ liệu cần thiết phục

vụ cho việc điều khiển hệ thống

nhà thông minh

Lưu trữ được thông tin trạng thái hoạt động trong nhà, cũng như thực hiện việc xác thực người

dùng trên ứng dụng.

Ứng dụng

điện thoại

Dùng dé giám sát và điều khiến

các thiết bị trong nhà Ngoài ra,

người đùng cũng có thể sử dụng

giọng nói đã được tích hợp

google assistant dé điều khiến

Xây dung được ứng dụng có thé

điều khiển và giám sát các thiết bị

ở bât kỳ nơi nào có Internet.

nodeJs.

Bảng 1.1 Bảng mô tả các mục tiêu chỉ tiết về các thiết bị trong nhà

Chuong 2 CƠ SỞ LÝ THUYET

2.1 Tổng quan về BLE

2.1.1 Giới thiệu về giao thức không dây BLE

Bluetooth Low Energy (BLE) là công nghệ giao thức không dây được sử

dụng dé truyền dữ liệu trong khoảng cách ngắn Vi đặc điểm nổi bật của công

nghệ này, BLE là giao thức được ưu tiên lựa chọn dùng cho các thiết bị có kíchthước nhỏ có thê kết nối với điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng Ví dụ,công nghệ này chủ yếu được sử dụng trong các hệ thống thoại khác nhau

Bluetooth năng lượng thấp kém hơn các giao thức không dây Bluetooth tiêu

chuẩn và chúng được dùng cho các thiết bị theo dõi sức khỏe khi tập thể dục,đồng hồ thông minh hoặc phần cứng nhỏ khác có kết nối với các thiết bi ding choviệc truyền dữ liệu không day tiết kiệm năng lượng pin cho điện thoại

BLE chỉ mới bắt đầu được sử dụng rộng rãi gần đây Vào năm 2006, Nokiachính thức công bồ chiếc điện thoại thông minh của họ sử dung công nghệ BLE.Tuy nhiên, công nghệ này không được công nhận là tiêu chuẩn của giao thức

Bluetooth cho đến năm 2010

Cho đến ngày nay, hầu hết các nhà sản xuất điện thoại thông minh, máy tínhhàng đầu thế giới đã tích hợp các tính năng của Bluetooth thông minh (BLE) vào

các thiết bị của họ Nhờ vậy, BLE được hỗ trợ chạy trên các hệ điều hành như

Linux, Windows, Windows Phone, iOS va Android.

Sóng vô tuyến UHF được sử dung dé truyền dữ liệu trên Bluetooth Côngnghệ này có tiêu chuẩn là IEEE 802.15.1 Tuy nhiên ngày nay, IEEE không còn

duy trì tiêu chuân này nữa.

Các công ty sử dụng công nghệ Bluetooth đa số là một phần của SIG (nhóm

lợi ích đặc biệt Bluetooth Nhóm lợi ích này hiện đang có hơn 20.000 thành viên,

những sản phẩm được tiếp thị bởi SIG dưới dạng thiết bị Bluetooth thì cần phảiđược chứng nhận trước khi đến tay người dùng và doanh nghiệp

Những chứng nhận này nhằm đảm bảo tất cả các thiết bị sử dụng công nghệBluetooth hoạt động đúng tiêu chuẩn và cung cấp day đủ các chức năng sản phẩm

cho người tiêu dùng.

~ -» ADV (Not Relayed)

= - ®= ADV (Low Power)

Ỹ 3 Friend feature (not used)

Hình 2.1 Cấu trúc liên kết mạng BLE Mesh

Bluetooth Mesh định nghĩa một số vai trò của các thiết bị trong mạng lưới

— Low Power node: hoạt động trong mạng lưới với chu kỳ hoạt động được giảm

đáng kế khi kết hợp với node hỗ trợ tính năng Friend

— Friend node: có khả năng giúp một node hỗ trợ tính năng Low Power hoạt

động được bằng cách lưu trữ các thông báo dành cho những node đó

10

2.1.3 So sánh các đặc tính giữa BLE, Zigbee và Z - Wave

— Khu vuc Trung

Quoc: Tan sô 868,42 MHz.

hơn băng thông của

Bluetooth.

Phạm vi | Khoảng cách tôi đa | Từ 10 mét tới hàng trăm | Khoảng 30-100 m trong

truyền |100m (theo lý | mét điều kiện lý tưởng

dữ liệu | hoặc 100 Kbps kbps Zigbee cũng hỗ trợ | phiên bản cũ đến 100

tốc độ truyền tối đa lên kbps cho các phiên bản

Bang 2.1 So sảnh đặc tính giữa BLE, Zigbee và Z - Wave

2.1.4 Lý do chọn giao thức mạng BLE được triển khai theo mô hình

mang Mesh cho hệ thống nhà thông minh

Mạng BLE Mesh (Bluetooth Low Energy Mesh) là một sự lựa chọn phù hợp

đối với các hệ thống nhà thông minh hiện đại ngày nay Một số lý do tại sao nên

sử dụng mạng BLE Mesh trong hệ thống nhà thông minh:

— Năng lượng tiêu thụ: BLE Mesh được thiết kế dé tiêu thụ ít năng lượng của

các thiết bị nhà thông minh Các thiết bị BLE Mesh có thể hoạt động trong

thời gian dài mà không lo mức tiêu thụ điện năng.

12

— Phạm vi truyền thông rộng: Mạng BLE Mesh có khả năng mở rộng phạm vi

truyền thông, cho phép các thiết bị nhà thông minh có thé liên lạc với nhau ởkhoảng cách xa Điều này cho phép bạn xây dựng hệ thống nhà thông minhlớn mà không cần phải lo lắng về phạm vi truyền thông

— Tính tương thích: BLE Mesh là một tiêu chuẩn mở, cho phép các thiết bị từ

các nhà sản xuất khác nhau có thể tương tác và hoạt động cùng nhau trong

cùng một mạng Điều này mang lại tính linh hoạt và tự do cho người dùng khi

lựa chọn các thiết bị nhà thông minh

— Độ tin cậy cao: Mang BLE Mesh sử dụng giao thức mesh network, trong đó

các thiết bị có khả năng tự tô chức thành một mạng lưới Điều này tạo ra nhiềuđường truyền thông giữa các thiết bị, tăng độ tin cậy và khả năng chịu lỗi của

hệ thống

— Dễ dang cài đặt và quản lý: BLE Mesh có công nghệ tự động cấu hình, cho

phép các thiết bị tự động kết nối và hoạt động trong mạng Điều này giúp giảm

thiểu thời gian và công sức cai đặt và quản lý hệ thống nhà thông minh

2.2 NodeJS

2.2.1 Khái niệm

Node.js là một môi trường chạy mã JavaScript phía máy chu, được xây dựng

trên JavaScript Engine của Google Chrome (V8 Engine) Nó cho phép viết mãJavaScript dé xử ly các tác vụ phía máy chủ, thay vì chỉ chạy trên trình duyệt

Node.js cho phép xây dựng các ứng dụng web phía máy chủ hiệu qua và có

hiệu suất cao, đặc biệt là khi xử lý các yêu cầu đồng thời Nó sử dụng mô hình

không đồng bộ (asynchronous) và sự kiện (event-driven) để xử lý các yêu cầuI/O, giúp tối ưu hóa sử dụng tài nguyên hệ thống

Một trong những đặc điểm nổi bật của Node.js là khả năng xây dựng các

ứng dụng thời gian thực (real-time applications), như ứng dụng chat, trò chơi trực

tuyến, ứng dụng đa người dùng cùng sử dụng, v.v Node.js cung cấp các thư viện

13

hỗ trợ như Socket.IO dé tạo ra các kết nối không đồng bộ giữa máy chủ và trình

© Thread Processing ae Thread Waiting

Hình 2.2 Cơ chê hoạt động cua NodeJS

2.2.2 Ưu và nhược diém

Ưu diém:

— Hiệu suất cao: Node.js sử dụng mô hình không đồng bộ và sự kiện để xử lý

các yêu cau I/O, giúp tôi ưu hóa sử dụng tài nguyên hệ thống và đạt hiệu suất

cao.

— Đơn giản và dé hoc: Node.js được xây dựng trên JavaScript, một ngôn ngữ

phổ biến và dé học Điều này giúp cho việc bắt đầu với Node.js trở nên dễ

dàng và đơn giản.

— Phát triển linh hoạt: Node.js có một cộng đồng phát triển mạnh mẽ, cung cấp

hàng ngàn module và framework dé hỗ trợ việc phát triển ứng dụng Điều này

giúp cho việc xây dựng ứng dụng trở nên nhanh chóng và linh hoạt.

— Xử lý đồng thời: Node.js hỗ trợ xử lý đồng thời, cho phép xử lý nhiều yêu cầu

cùng lúc mà không gây block I/O Điều này rất hữu ích khi xây dựng các ứngdụng thời gian thực hoặc ứng dụng có yêu cầu đồng thời cao

14

Nhược điểm:

— Không phù hợp cho các ứng dụng CPU-intensive: Vì Node.Js là một môi

trường đơn luéng, nó không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu xử lý

CPU-intensive hoặc tính toán phức tạp Nếu ứng dụng của bạn tập trung vào tính

toán, bạn nên xem xét sử dụng ngôn ngữ khác.

— Khó khăn trong việc xử lý các tác vụ đồng bộ: Mặc dù Node.js rất mạnh mẽ

trong việc xử lý các yêu cầu I/O đồng thời, nhưng xử lý các tác vụ đồng bộ

có thé trở nên phức tạp Việc quan lý callback và xử lý lỗi có thé làm cho mã

trở nên khó đọc và bảo trì.

— Sinh ra mã callback hell: Khi xử lý nhiều yêu cau I/O liên tục, mã có thé trở

nên rối ram và khó đọc do việc sử dung callback nhiều lớp (callback hell).Điều này có thể làm cho mã khó bảo trì và tăng khả năng xảy ra lỗi

2.2.3 Ly do sử dụng

Hiệu suất cao: Node.js sử dụng mô hình không đồng bộ và sự kiện dé xử lý

các yêu cau I/O, giúp tối ưu hóa sử dụng tài nguyên hệ thống và đạt hiệu suất cao.Điều này cho phép xử lý nhiều yêu cầu cùng lúc mà không gây block I/O

Xây dựng ứng dung thời gian thực: Node.js rất phù hợp dé xây dựng các ứngdụng thời gian thực như ứng dụng chat, trò chơi trực tuyến, ứng dụng đa ngườidùng cùng sử dụng, v.v Sự kết hợp giữa mô hình không đồng bộ và sự kiện chophép xử lý yêu cầu đồng thời một cách hiệu quả

Đơn giản va dé học: Node.js được xây dựng trên JavaScript, một ngôn ngữ

phổ biến và dé học Điều này giúp cho việc bắt đầu với Node.js trở nên dé dàng

và đơn giản Nếu bạn đã quen thuộc với JavaScript, việc làm quen với Node.js sẽ

rất nhanh chóng

Hỗ trợ cộng đồng mạnh mẽ: Node.js có một cộng đồng phát triển lớn và

nhiều module, framework được xây dựng dé hỗ trợ việc phát triển ứng dụng Bạn

có thể tìm thấy nhiều tài liệu, ví dụ và hỗ trợ từ cộng đồng này

15

Đơn ludng và quản lý tài nguyên dé dàng: Node.js sử dụng mô hình đơn

luỗông, giúp đơn giản hóa việc quản lý tài nguyên và tránh các van dé liên quan

đến đồng bộ hóa Điều này giúp cho việc phát triển và triển khai ứng dụng dễ

Clark của IBM va Arlen Nipper của Arcom (nay là Cirrus Link) vào năm 1999.

MQTT được thiết kế dé hoạt động trên mạng không đáng tin cậy va có băngthông hạn chế Nó sử dụng mô hình publish - subscribe, trong đó các thiết bị gửi(publish) các tin nhắn đến một máy chủ trung gian (broker) và các thiết bị khácđăng ký (subscribe) đề nhận các tin nhắn mà họ quan tâm

Trong giao thức MQTT (được mô tả ở Hình 2.2), MQTT-Broker có vai trò

trung gian là đảm bảo các dit liệu được truyền đến đúng topic đã được subscribebởi một thiết bị hoặc nhiều thiết bị

subscribe to publish to mobile device

topéc: “temperature” topic: “temperature”

Hình 2.3 Mô tả về luong dữ liệu trên giao thức MOTT

16

2.3.2 Tính năng, đặc điểm:

Nhẹ nhàng và đơn giản: MQTT là một giao thức nhẹ nhàng va đơn giản,

được thiết kế để hoạt động trên các mạng có băng thông hạn chế và tài nguyênhạn chế Điều này làm cho MQTT phù hợp cho các thiết bị IoT nhỏ gọn và ứng

dụng máy chủ.

Publish-subscribe model: MQTT sử dụng mô hình publish-subscribe, trong

đó các thiết bị gửi (publish) các tin nhắn đến một máy chủ trung gian (broker) vàcác thiết bị khác đăng ký (subscribe) để nhận các tin nhắn mà họ quan tâm Điềunày cho phép truyền thông linh hoạt và phân tán giữa các thiết bị và ứng dụng

QoS (Quality of Service): MQTT hỗ trợ ba mức đảm bảo chất lượng tin

nhắn: QoS 0 (at most once), QoS 1 (at least once) va QoS 2 (exactly once) Mỗi

mức cung cấp mức độ đảm bảo khác nhau về việc gửi và nhận tin nhắn Điều nàycho phép điều chinh mức độ tin cậy và hiệu suất theo yêu cầu cụ thê

Retained Messages: MQTT hỗ trợ Retained Messages, cho phép lưu trữ tin

nhắn trên broker và gửi lại cho các subscriber mới đăng ký Điều này đảm bảorằng các thiết bị mới kết nối sau đó vẫn nhận được thông tin quan trọng

Bảo mật: MQTT hỗ trợ các phương thức bảo mật như SSL/TLS dé đảm bảo

tính bảo mật của dữ liệu truyền qua mạng

Đa nền tảng: MQTT có sẵn cho nhiều nền tảng và ngôn ngữ lập trình khác

nhau, cho phép tích hợp dễ dàng với các hệ thống và ứng dụng hiện có

2.3.3 Ưu và nhược điểm

Ưu điểm:

— Nhẹ nhàng va đơn giản: MQTT được thiết kế dé hoạt động trên các mạng có

băng thông hạn chế và tài nguyên hạn chế Giao thức này nhẹ nhàng và dễ

triển khai, đặc biệt phù hợp với các thiết bị IoT có tài nguyên hạn chế

17

Tiết kiệm năng lượng: MQTT được thiết kế dé tiết kiệm năng lượng, giúp kéodài tuôi thọ pin và nâng cao hiệu suất hoạt động của các thiết bị IoT di động.

Mô hình publish-subscribe: MQTT sử dụng mô hình publish-subscribe, cho

phép truyền thông linh hoạt và phân tán giữa các thiết bị và ứng dụng Điềunày giúp giảm độ trễ và tăng khả năng mở rộng của hệ thống

Đảm bảo chất lượng tin nhắn: MOTT hỗ trợ ba mức đảm bảo chất lượng tinnhắn (QoS), cho phép điều chỉnh mức độ tin cậy và hiệu suất theo yêu cầu cụthé Điều này dam bảo rằng các tin nhắn được gửi và nhận một cách đáng tin

cậy.

Hỗ trợ bảo mật: MQTT hỗ trợ các phương thức bảo mật như SSL/TLS, giúp

đảm bảo tính bảo mật của dữ liệu truyền qua mạng

Đa nền tảng và ngôn ngữ lập trình: MQTT có sẵn cho nhiều nền tảng và ngônngữ lập trình khác nhau, cho phép tích hợp dễ dàng với các hệ thống và ứng

có yêu câu về tôc độ cao, có thê cân xem xét các giao thức khác phù hợp hơn.

Độ tin cậy: Mặc dù MQTT hỗ trợ ba mức đảm bảo chất lượng tin nhắn, tuy

nhiên, trong mạng không đáng tin cậy, có thé xảy ra mat kết nối hoặc mat tin

nhắn Việc xử lý những sự cé này có thé phức tạp và đòi hỏi quản lý kỹ lưỡng

18

2.4 ESP-WHO và giải thuật deep learning

2.4.1 Giới thiệu về deep learning

Deep learning là một lĩnh vực trong trí tuệ nhân tạo (AI) liên quan đến việcxây dựng và huấn luyện các mạng nơ-ron nhân tạo sâu Đặc trưng của deeplearning là khả năng tự động học và trích xuất các đặc trưng từ dữ liệu một cách

tự động và phi cấu trúc

Deep learning sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo với nhiêu lớp ân đê học và

hiêu thông tin từ dữ liệu đâu vào Các mạng nơ-ron sâu này có khả năng học hiệu

quả các biêu diễn phức tạp va trừu tượng từ dữ liệu không câu trúc như hình ảnh,

âm thanh, văn bản và dữ liệu sé.

2.4.1.1 Cách thức hoạt động của Deep Learning

Deep Learning là một phương pháp học máy dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo

sâu Nó hoạt động băng cách sử dụng các lớp nơ-ron nhân tạo kết nối với nhau déhọc và rút trích các đặc trưng từ dữ liệu đầu vào

Quá trình hoạt động của deep learning bao gồm các bước sau:

— Khởi tạo các trong số ngẫu nhiên cho các kết nối nơ-ron

— Đưa dir liệu đầu vào vào mạng và tính toán đầu ra của mạng

— So sánh đầu ra tính toán với dau ra thực tế và tính toán lỗi (loss)

— Sử dụng phương pháp lan truyền ngược (backpropagation) để cập nhật trọng

số của các kết nối nơ-ron dựa trên lỗi tính toán

— Lap lại các bước trên cho tất cả các mẫu dữ liệu trong tập huấn luyện, và lặp

lại quá trình này qua nhiêu epochs đê cải thiện hiệu suât của mạng.

— Sau khi mang đã được huấn luyện, nó có thé được sử dụng dé dự đoán đầu ra

cho các mẫu dữ liệu mới.

19

2.4.1.2 Một số ứng dụng của Deep Learning

Deep learning có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Dướiđây là một số ứng dụng phổ biến của deep learning:

— Nhận dạng hình ảnh: Deep learning được sử dụng dé nhận dạng, phân loại và

nhận biết các đối tượng trong hình ảnh Ví dụ như nhận dạng khuôn mặt, nhận

dạng xe hơi, nhận dạng thực phẩm, và nhiều hơn nữa.

— Xử lý ngôn ngữ tự nhiên: Deep learning có thể được sử dung dé xây dựng các

hệ thống xử lý ngôn ngữ tự nhiên, bao gồm dịch máy, phân tích cảm xúc, trích

xuất thông tin từ văn bản, và tạo ra nội dung tự động.

— Xử lý giọng nói: Deep learning được sử dụng trong các ứng dụng như nhận

dạng giọng nói, nhận dạng giọng nói đa ngôn ngữ, và tong hợp giọng nói tự

nhiên.

— Xử lý dữ liệu y tế: Deep learning có thể được áp dụng trong lĩnh vực y tế dé

phân loại và dự đoán bệnh, phân tích hình ảnh y tế, tìm kiếm dữ liệu y tế, vànhiều ứng dụng khác

— Tự động lái xe: Deep learning đóng vai trò quan trong trong phát triển công

nghệ tự động lái xe Nó được sử dụng dé nhận diện và phân loại các đối tượng

trên đường, dự đoán hành vi của người lái và các phương tiện khác, và điềukhiến hệ thống lái tự động

— Trò chơi và robot: Deep learning có thê được sử dụng đê huân luyện các mô

hình chơi trò chơi, như chơi cờ vua hoặc chơi game video Nó cũng có thê

được sử dụng đê điêu khiên robot và học các nhiệm vụ phức tạp.

2.4.2 Giới thiệu về ESP-WHO

ESP-WHO là một nền tang phát trién xử hình anh dựa trên chip Espressif

Nó chứa các examples phát triển có thé được áp dụng trong các ứng dụng thực tế

20

ESP-WHO cung cấp các ví dụ như “Nhận diện khuôn mặt người”, “Nhận

dạng khuôn mặt người”, “Nhận diện khuôn mặt mèo”, “Nhận dạng cử chỉ”, v.v.

Có thé phát triển nhiều ứng dụng thực tế khác nhau dựa trên các example trên

DL cung cấp các giao diện liên quan đến deep learning phong phú cho WHO, giao diện này có thể được triển khai với nhiều thiết bị ngoại vi khác nhau

ESP-dé tạo ra nhiều ứng dụng thú vi

Examples

Human Face Recognition

Cat Face Detection Hand Pose Recognition

Motion Detection Color Detection

ESP-WHO

Peripherals Deep Learning Library

Camera LC

Button

Hình 2.4 Mô hình phát triển ESP-WHO dựa trên giải thuật Deep Learning

2.5 Tìm hiểu về hệ điều hành Android

2.5.1 Khái niệm

Hệ điều hành Android là một hệ điều hành di động phô biến được phát triển

bởi Google Nó được sử dụng rộng rãi trên các thiết bị di động như điện thoại

thông minh và máy tính bảng.

Android được xây dựng dựa trên nên tảng mã nguôn mở và được phát triên

bởi cộng đông phân mêm mã nguôn mở Điêu này cho phép các nhà phát triên tạo

ra ứng dụng và tùy chỉnh hệ điều hành theo nhu cầu của họ

Một sô đặc điêm nôi bật của Android bao gôm:

21

Giao diện người dùng linh hoạt: Android cung cấp giao diện người dùng tùy

chỉnh và linh hoạt, cho phép người dùng tùy chỉnh thiết lập và trải nghiệm của

mình.

Ứng dụng đa dạng: Android có một cửa hàng ứng dụng rất lớn gọi là GooglePlay Store, nơi người dùng có thé tải xuống và cai đặt hàng ngàn ứng dụng

khác nhau.

Tích hợp các dịch vụ Google: Android tích hợp các dịch vụ Google như

Gmail, Google Maps, Google Drive, Google Photos và nhiều dịch vụ khác,

mang đên trải nghiệm két nôi liên mạch với các dịch vu này.

Tính năng đa phương tiện: Android hỗ trợ nhiều định dạng âm thanh, video

và hình ảnh, cho phép người dùng thưởng thức các nội dung đa phương tiện

trên thiết bị của mình

Tích hợp công nghệ di động tiên tiến: Android cung cấp tích hợp công nghệ

di động như GPS, Bluetooth, Wi-Fi và NFC, giúp người dùng kết nối và chia

sẻ dữ liệu dé dàng.

Bảo mật và quản lý thiết bị: Android cung cấp các tính năng bảo mật như mãPIN, mật khẩu và cảm biến vân tay dé bảo vệ dữ liệu cá nhân của người dùng.Ngoài ra, người dùng cũng có thé quản lý thiết bị của mình thông qua tínhnăng quản lý thiết bị Android

Tổng quan, Android là một hệ điều hành linh hoạt, mạnh mẽ và phổ biến,mang đến cho người dùng nhiều tính năng và ứng dụng hấp dẫn trên thiết bị di

22

Thư viện: Android có một bộ thư viện phong phú, bao gồm các thư viện đồhọa, âm thanh, mạng và các thư viện hỗ trợ khác Thư viện này cung cấp các công

cụ và chức năng cho các ứng dụng Android.

Android Runtime (ART): ART là môi trường thực thi ứng dụng Android.

Nó chuyên đổi mã nguồn Java thành mã máy nhị phân và thực thi ứng dụng trên

thiết bi ART cũng có khả năng tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng

Hệ thống quản lý ứng dụng: Android có hệ thống quản lý ứng dụng để quản

lý các ứng dụng đang chạy trên thiết bị Nó cho phép người dùng quản lý, cài đặt

và gỡ bỏ ứng dụng.

Giao diện người dùng: Android sử dụng giao diện người dùng được gọi là

User Interface (UI) Giao diện này cho phép người dùng tương tac với các ứng

dụng và thiết bị thông qua các phần tử như màn hình chính, thanh trạng thái và

các ứng dụng.

Các ứng dụng: Android hỗ trợ việc phát trién và chạy các ứng dụng di động

Người dùng có thé tải xuống và cài đặt các ứng dụng từ Google Play Store hoặc

từ các nguôn khác.

Tổng quan, kiến trúc cơ bản của hệ điều hành Android bao gồm Linux

Kernel, các thư viện, Android Runtime, hệ thống quản lý ứng dụng, giao diện

người dùng và các ứng dụng Các thành phần này hoạt động cùng nhau để cung

cấp một môi trường linh hoạt và mạnh mẽ cho các ứng dụng di động trên thiết bị

Android.

2.6 ESP32

2.6.1 Giới thiệu chung

ESP32 là các dong vi điều khiển được nghiên cứu và phát triển bởi Espressif

System có trụ sở tai Thượng Hải (Trung Quốc) ESP32 được phát triển với mục

tiêu tích hợp các công nghệ IoT hiện đại có khả năng tiêu thụ năng lượng thấp khi

sử dụng với WiFi, Bluetooth, cũng như khi kết nối với các thiết bị ngoại vi khác

23

ESP32 là vi điều khiến được kế thừa và phát triển các tính năng nỗi bật trên

ESP8266, với bộ vi xử lí được sử dụng là Tensilica Xtensa LX6 tích hợp công

nghệ 40 nm được phát triển bởi tập đoàn TSMC mang lại hiệu suất cao N goai ra,ESP32 còn được tích hợp module quản lý năng lượng, bộ khuếch đại với khả năngthu nhiễu thấp, công tắc anten Với những điểm nỗi bật trên, ESP32 là một trongnhững vi điều khiển được lựa chọn hàng đầu, phù hợp với các dự án IoT

Thông số kỹ thuật cơ bản của ESP32:

Giao thức kết nói: được tích hợp một module Wi-Fi va Bluetooth

VỊ xử lý (CPU): Tích hop vi xử lý hai nhân Xtensa LX6, hoạt động tai tốc

độ lên đến 240 MHz

Bộ nhớ:

— Bộ nhớ Flash: 4MB hoặc 8MB (có thể mở rộng lên đến 16MB)

— Bộ nhớ RAM: 520KB SRAM (bao gồm 8KB RTC Fast Memory)

— Chuẩn Bluetooth: Bluetooth v4.2 BR/EDR va BLE.

— Giao thức hỗ trợ: A2DP, AVRCP, SPP, HFP, HID, GATT, RFCOMM.

GPIO: Số lượng chân GPIO: 34 chân GPIO (bao gồm các chân GPIO đa

năng).

Giao tiép: UART, SPI, I2C, I2S, CAN, Ethernet, SDIO/SPI Slave, PWM

ADC: Số lượng chan ADC: 18 chân ADC (12-bit)

Nguồn điện:

— Điện áp hoạt động: 2.2V - 3.6V.

— Điện áp I/O: 3.3V.

Tiêu thụ năng lượng:

— Sleep mode: <5uA.

— Deep sleep mode: <10uùA.

Kích thước module: 18mm x 25.5mm.

2.7 RFID

2.7.1 Giới thiệu chung

RFID (Radio Frequency Identification) là một công nghệ sử dụng sóng radio

dé nhận dạng và theo dõi các đối tượng thông qua việc truyền thông giữa thiết bị

đọc (reader) và các thẻ (tags).

Cấu trúc cơ bản của hệ thống RFID bao gồm:

— Thiết bị đọc (reader): Là thiết bị sử dụng sóng radio dé gửi và nhận dữ liệu từ

các thẻ RFID.

— Thẻ RFID (tags): Là các thiết bị nhỏ gan trên đối tượng cần nhận dạng Thẻ

RFID có chứa thông tin nhận dang và có thé truyền thông tin này cho thiết bị

đọc thông qua sóng radio.

25

— Hệ thống phần mềm: Được sử dung dé quản lý và xử lý dit liệu từ các thiết bi

đọc RFID.

RFID-RC522 pinout

@ RFID-RC522 ©

Hinh 2.6 RFID pinout

2.7.2 Dai tan hoạt động của hệ thong RFID

Dai tan hoạt động của RFID có thé chia thành ba loại chính: Low Frequency(LF), High Frequency (HF) va Ultra High Frequency (UHF) Mỗi loại có dải tần

số khác nhau và được sử dung trong các ứng dụng khác nhau

— Low Frequency (LF): Dai tan số LF thường từ 125 kHz đến 134 kHz RFID

LF có khoảng cách đọc ngắn, thường chi từ vai cm đến một mét Điều này

làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng như kiểm soát truy cập, định vị động

vật và thu thập dữ liệu trong môi trường chịu nhiễu.

— High Frequency (HF): Dai tan số HF thường từ 13.56 MHz RFID HF có

khoảng cách đọc trung bình, thường từ vai cm đến khoảng 1 mét Nó được sửdụng trong nhiều ứng dụng như thanh toán không tiếp xúc, quản lý thẻ thông

minh và quản lý thư viện.

— Ultra High Frequency (UHF): Dai tan số UHF thường từ 860 MHz đến 960

MHz RFID UHF có khoảng cách đọc xa hơn, có thé lên đến vài mét hoặcthậm chí vài chục mét Điều này làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng nhưquản lý kho, logistics, vận chuyên và theo dõi hàng hóa

26

Ngoài ra, còn có một loại RFID khác là Microwave Frequency (MW), có dai

tần số từ 2.45 GHz RFID MW có khoảng cách đọc xa hơn và được sử dụng trong

các ứng dụng như kiểm soát truy cập và theo dõi hàng hóa trong môi trường công

nghiệp.

2.7.3 Thong số kỹ thuật

Thông số kỹ thuật chung của các thành phan RFID:

Nguồn hoạt động của mạch: 3.3V 13-26mA

Tags (Thẻ REID):

— Dai tần số hoạt động: LF (125 kHz - 134 kHz), HF (13.56 MHz), UHF (860

MHz - 960 MHz) hoặc MW (2.45 GHz).

— Khoảng cách đọc: Tùy thuộc vào loại thẻ, có thé từ vai cm đến vai chục mét

— Bộ nhớ: Thẻ có thé lưu trữ thông tin từ vài byte đến vài kilobyte.

Reader (Đầu đọc RFID):

— Dai tan số hoạt động: LF, HF, UHF hoặc MW tương ứng với thẻ được sử

dụng.

— Khoảng cách đọc: Tùy thuộc vào công suất và loại anten, có thé từ vai cm đến

vài trăm mét.

— Giao tiếp: USB, RS232, Ethernet hoặc không dây (Wi-Fi, Bluetooth)

— Công suất phát: Điều chỉnh được, từ vài mW đến vài W

Antenna (Anten RFID):

— Dai tần số hoạt động: LF, HF, UHF hoặc MW tương ứng với thé va dau đọc

duoc str dung.

— Kiểu anten: Da dang, bao gồm anten dây, anten gắn bề mặt, anten nhúng,

anten điện tử, và nhiêu loại khác.

27