Với đề tài "Nghiên cứu mô hình giao tiếp chung cho thiết bị IoT trong ứng dụng nhà thông minh", nhóm nghiên cứu đã trải qua một hành trình học tập và nghiên cứu đầy thách thức.. Mà nhu c
Mục tiêu của đề taie.cscceeccccccccscessesssesssesssssesssesssessssssecssessuessusssesssecsuessesesecsses 6 1 Mục tiêu tổng quát . ¿5£ +E+Sk+EE+EEEEEEEEEEEEEEEEEEkrrkrrkrrrrei 6 2 Mục tiêu cụ thÊ -:©2c2 222k 221 22212211221221 21.21 ctkcre 7 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ¿5c s+cs+cs+cszxezseez 7 Chương 2 TONG QUAN - ¿5S E2 12E121121111111111111111E 11111111111 c0 8 2.1 Tinh hình nghiên cửu trong NƯỚC - - c2 +1 +EEsEEerrrersrrrrrrrerre 8 2.2 Tình hình nghiên cứu quốc tẾ - ¿- ¿2-2 s+SE+E£+E££E£E££EeEEeEEeEkererrerree 8 2.3 Phân tích các công nghỆ eee ¿+ + E1 3 E1 91 vn ngư 9 Chương 3 CƠ SỞ LÍ THUYÊT - 2 25£+SE+E£EE£EE£EEEEEEEEEEEEEerkerkerkrrkrree 12 3.1 Mô tả hệ thong cccccccssessesssecsessesssesseesecsessssssessessessusssessessesssssessessesseesseeseesess 12 3.2 Xây dựng đặc tả mô hình giao tiếp các thiết bị trong nhà thông minh
Kiến trúc hệ thống 2- + k+EE+EE+EEEEEEEEErEerkerkrrkrree 13 3.2.2 Nguyên lý hoạt động .- Ăn SH, 14 3.2.3 Mô hình quản lý thông tin thiết bị ¿- 2 s+cx+czz+x+zxerxersee 19 kcáuii8‹ 0/00 `ˆ`ˆ
Thiết kế sơ đồ hệ thống cho mô hình giao tiếp chung giữa các thiết bi dựa trên cấu trúc của một hệ thống loT đơn giản Xây dựng đặc tả mô hình giao tiếp các thiết bị trong nhà thông minh sử dụng công nghệ giao tiếp như Bluetooth và WiFi.
Devices Layer : : Edge Layer : : Cloud Layer
Hình 3.1 So đồ kiến trúc của mô hình giao tiếp được dé xuất Hình 3.1 mô tả tổng quan về hệ thống được đề xuất Hệ thống được thiết kế dựa trên kiến trúc IoT với 3 tang: tầng thiết bị cuối, tầng biên và tang đám mây Tầng thiết bị đại diện cho nhiều thiết bị đầu cuối sử dụng giao thức giao tiếp Bluetooth hoặc WiFi dé giao tiếp với các thiết bị lớp biên Các thiết bị biên sẽ xử lý, lưu trữ dữ liệu cục bộ và cập nhật trước khi gửi lên lên máy chủ hoặc đám mây khi cần thiết để lưu trữ dữ liệu hoặc truy xuất thêm thông tin cho các mục đích khác nhau Tang đám mây đại diện cho các dịch vụ đám mây, nơi lưu đữ liệu của thiết bị và cung cấp API để ứng dụng và dịch vụ khác có thé truy cập và sử dung dữ liệu từ hệ thống IoT.
C sian) Installation Web Server Add Device Control Device
Hình 3.2 Sơ đồ cài đặt và sử dung hệ thống Hình 3.2 mô tả tổng quát các bước trong quá trình cài đặt và sử dụng hề thông của hệ thống Đầu tiên, Gateway được cài đặt và cấu hình Khi được cấp nguon, mot chương trình khởi tao sẽ chạy dé kiểm tra các đặc tính của Gateway và kiểm tra xem các công kết nối và hệ thống có ôn định không Tiếp đó người dùng có thể truy cập trang web điều khiển của hệ thống để thực hiện các thao tác đăng ky, đăng nhập và thiết lập cài đặt cần thiết cho hệ thống Quá trình thiết lập đăng ký cho một Home Gateway gồm các thông tin như tên gợi nhớ của ngôi nhà, địa chỉ IP của Home Gateway, thông tin người sử dụng và địa điểm hiện tại của Home Gateway Tiếp theo là quá trình thêm thiết bị vào hệ thông Quá trình thêm thiết bị mới vào hệ thống được thực hiện thông qua một bước xác thực chặt chẽ với nhà sản xuất thiết bị Mô hình mà nhóm nghiên cứu đang triển khai bao gồm việc mô phỏng xác thực thiết bị trực tuyến trên giao diện Web điều khiển Quá trình này cho phép người dùng thêm thiết bị vào hệ thong một cách dé dàng và bảo mật Khi người dùng muốn thêm một thiết bị mới vào hệ thống, nhóm thiết kế sử dụng giao thức WiFi hoặc Bluetooth Bên cạnh đó có thể sử dụng các kỹ thuật khác đề đăng ký thiết bị vào hệ thống Quá trình này dựa vào file mô tả đặc biệt được thiết kế cho từng thiết bị File mô tả này chứa các thông tin cần thiết về thiết bị, cho phép hệ thống nhận diện và xác thực thiết bị một cách chính xác Sau khi quá trình thêm thiết bị vào hệ thống thành công và hoàn tắt, người dùng sẽ được truy cập vào một giao diện Website đầy đủ tính năng và thân thiện người dùng Giao diện này cho phép người dùng điều khiển và quản lý các thiết bị trong hệ thống nhà thông minh của họ một cách dễ dàng và tiện lợi.
L siuscon Deve Send Request/ os
Hình 3.3 Quy trình thêm thiết bị mới vào hệ thống
Quá trình thêm thiết bị được chỉ tiết trong Hình 3.3, miêu tả quy trình tự động thực hiện việc thêm thiết bị vào hệ thống thông qua phương thức giao tiếp Bluetooth. Ban đầu, cả Gateway và thiết bị được cấp nguồn và sẵn sàng đề thiết lập kết nối Tiếp theo, người dùng truy cập vào trang web điều khiến dé thực hiện việc đăng ký thiết bị vào hệ thống Trong quá trình đăng ký thiết bị vào hệ thống, hệ thống thực hiện xác thực thông tin của thiết bị dé dam bảo tính chính xác va đáng tin cậy trước khi được đăng ký vào hệ thống Khi thông tin của thiết bị khớp với những thông tin mà nhà sản xuất đã cung cấp khi người dùng mua thiết bị, Gateway sẽ tự động truy cập vào trang web của nhà sản xuất và tải xuống tệp mô tả thông tin cụ thê của thiết bị đó Sau khi hoàn tất quá trình tải xuống, hệ thống sẽ đọc nội dung của tệp mô tả và kiểm tra phương thức kết nối của thiết bị.
_id: 0bjectTd('6463451912492539c77fb96b1') w _owner: Array
~ 0: Object stand: "blue," baudrate: "9600," ver: "4.5 4" passkey: "19521297,"
Hình 3.4 File mô thả thiết bi được mô phỏng trên hệ thống của nha sản xuất
Hình 3.4 là hình mô tả về file mô tả của thiết bị được cung cấp bởi một nhà sản xuất Nhóm chúng tôi đã thực hiện việc mô phỏng cho các thiết bị thuộc về nhà sản xuất Apple và các hãng sản xuất khác Khi người dùng chọn một hãng sản xuất cụ thể, hệ thống sẽ tự động truy cập vào Website của hãng đó và yêu cầu kiểm tra thông tin về thiết bị.
Tiếp theo, người dùng sẽ nhập đầy đủ thông tin của thiết bị như được mô tả trong Hình 3.5 Sau khi nhập xong thông tin và nhấn nút "Add", hệ thống sẽ kiểm tra xem thông tin nhập liệu có trùng khớp với thông tin của thiết bị được cung cấp hay không Nếu thông tin nhập liệu chính xác, hệ thống sẽ thông báo đăng ký thành công và hiển thị thiết bị đã được đăng ký trên trang Web như mô tả trong Hình 3.6 và đồng thời tải xuống file mô tả của thiết bị đó phục vụ cho việc điều khiển Tuy nhiên, nếu thông tin nhập liệu không chính xác, hệ thống sẽ yêu cầu người dùng nhập lại thông tin đúng.
Quá trình này giúp đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy khi đăng ký thiết bị vào hệ thống Việc truy cập và kiểm tra thông tin từ trang Web của nhà sản xuất dam bao tính chuẩn xác và phù hợp với từng loại thiết bị của hãng sản xuất đó.
Apple https://cloud.mongodb.com/v2/Apple -
Hình 3.5 Thực hiện nhập thông tin của thiết bị trên Web
Hình 3.6 Thiết bị được đăng ký thành công khi khớp với thông tin của nhà sản xuất
Nếu phương thức kết nối là Bluetooth, hệ thống sẽ bắt đầu quét các thiết bị trong phạm vi kết nối và xác định các thiết bị cần kết nối Khi các thiết bị được kết nối được xác định, hệ thống sẽ gửi yêu cầu ghép nối đến thiết bị Trong quá trình ghép nối để đảm bảo an toàn cho hệ thống trong quá trình kết nối, gateway sẽ gửi một mã khóa cùng với yêu cầu ghép nói đến thiết bị Sau khi xác định chính xác thiết bị, hệ thống sẽ thiết lập kết nói với thiết bị đó Khi kết nối thành công, thiết bị sẽ gửi phản hồi về hệ thông và chuyên sang trạng thái ngủ đề tiết kiệm năng lượng, chờ lệnh điều khiển từ gateway Nếu có lỗi trong quá trình quét thiết bị, gửi mật khẩu hoặc yêu cầu, hệ thong sẽ quay lại bước trước đó và yêu cầu lặp lại quy trình Quá trình thêm một thiết bị mới được lặp lại theo cách này.
Trong trường hợp hệ thống sử dụng các công nghệ khác như Lora hay Zigbee, quá trình thêm thiết bị mới vào hệ thong sẽ được thực hiện tương tự như thêm thiết bị mới vào hệ thống như trong hình 3.3 Gateway sẽ tự động hiểu phương thức giao tiếp mới, giống như với phương thức giao tiếp được thiết lập trước Ví dụ nếu thiết bị sử dung WiFi dé kết nối, chúng tôi cũng sẽ đăng ký và tải xuống tệp mô tả của thiết bị Khi đó, thay vì quét tìm thiết bị, hệ thống sẽ nhận địa chỉ IP của thiết bị và thiết lập kết nối với thiết bị đó mà không cần xây dựng kịch bản riêng cho việc thêm thiết bị mới vào hệ thống.
Sau khi kết nói thành công, quy trình điều khién được mô tả trong hình 3.7 Các thiết bị phải được đăng ký trong hệ thống trước đó Nếu thiết bị chưa được đăng ký thì phải đăng ký ở bước thêm thiết bị Khi có file mô tả, Gateway sẽ tự động giải mã dé hiểu được các chức năng sẵn có của thiết bị Khi biết được chức năng của thiết bị, Gateway sẽ gửi lệnh điều khiển có cấu trúc như trong hình 3.9 tới thiết bị Đồng thời, thiết bị sẽ nhận yêu cầu từ Gateway và bắt đầu thực hiện chức năng tương ứng với lệnh được gửi xuống Trong quá trình gửi và nhận lệnh, hệ thống sẽ kiểm tra gói tin gửi từ Gateway và gói tin nhận từ thiết bị xem có bị thất lạc băng cờ ACK hay không. Nếu đúng, thiết bị sẽ gửi phản hồi đến Gateway dé xác nhận gói tin chính xác Nếu gói tin nhận được không giống gói tin gửi đi, thiết bị sẽ yêu cầu Gateway gửi lại lệnh. Sau khi thực hiện xong lệnh điều khiến, thiết bi sẽ chuyên sang chế độ ngủ dé tiết
18 kiệm năng lượng và tiếp tục chờ lệnh đề thực hiện chức năng điều khiến thiết bị Quá trình kiểm soát sẽ lặp lại theo cách này. esponse Reque!
ACK and Response Excute Request
Sau khi đăng ký va điều khiển ban đầu một thiết bi mới vào hệ thống, quy trình điều khiển tiếp theo của hệ thông sẽ không được lặp lại theo cách tương tự Thay vào đó, trong trường hợp một thiết bị đã được đăng ký vào hệ thống, tất cả thông tin của thiết bị được kết nối sẽ được lưu trữ dé thuận tiện cho việc quan lý thiết bị trong hệ thống Người dùng chỉ cần chọn thiết bị đã đăng ký trước đó và tiến hành quá trình điều khiển Nếu một thiết bị chưa được đăng ký, quy trình sẽ được lặp lại từ đầu như trong hình 3.3.
3.2.3 Mô hình quản lý thông tin thiết bi a) Cấu trúc dit liệu quản lý thông tin thiết bị
Cấu trúc thông tin của thiết bị được mô tả như hình 3.5 bên dưới Cấu trúc thông tin của thiết bị được định dạng dưới dạng tệp JSON Điều này giúp đơn giản hóa việc truyền và xử lý dữ liệu giữa các thiết bị Nó cho phép mở rộng và bổ sung các trường
19 dữ liệu mới mà không làm thay đổi cấu trúc tổng thé của giao thức Hệ thống có thé dễ dàng phân tích cú pháp và hiểu cú pháp bằng cách giải mã tệp này Thông tin thiết bị được chia thành các trường như sau: ý
"Passkey": 1 oie 3‡€ 3j€ ie 3j€ 3‡£ aie aie PT ì ý
Hình 3.8 Cấu trúc thông tin thiết bị với tệp JSON e Trường Header, mô tả chỉ tiết thiết bị với tên thiết bị, nhà sản xuất, ID của thiết bị Ngoài ra, cau hình vi trí thiết bị được cung cấp dé dé kiêm soát. e Trường Function, là trường chức năng của thiết bị Nhìn vào đây hệ thong điều khiển có thé hiểu và nhận biết được chức năng của thiết bị dé có thé điêu khiên một cách chính xác.
20 e Trường Security, dé đảm bảo an toàn cho thiết bi, nhà sản xuất có thé cung cấp thông tin về các giao thức mã hóa, tính khả dụng của tường lửa hoặc các phương pháp kiểm soát truy cập đề tăng cường bảo mật cho thiết bị. © Cuối cùng, trường communication chứa thông tin về các giao thức mà thiết bị có thé giao tiếp với hệ thống như WiFi, Bluetooth, Và thông tin của giao thức đó, người dùng và hệ thống có thé dé dang kiểm tra và xem thông tin của giao thức một cách thuận tiện. b) Cấu trúc tập lệnh điều khiến thiết bị
Hình 3.9 Cấu trúc lệnh điều khiển
MÔ HÌNH THUC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIA
Thực nghiệm mô hình giao tiẾp - 2 2 ++SE£2E£+EE+EE+EEtEEEzEEerxerreres 23 1 _ Chi tiết các phần cứng sử dụng -2 5 xcs++x+zserxerseee 23 2 Web điều khiển va Server ¿ -:©-+¿©c++cx2zxccxrerkesrxrrrxees 26 AQ Darl nh a
4.1.1 Chi tiết các phần cứng sử dụng Đề đánh giá hệ thống của mình, nhóm nghiên cứu đã thiết lập một mô hình mô phỏng dé điều khiến các thiết bi và kiểm tra hệ thống hoạt động đúng theo luồng xử lý không được thé hiện trong Hình 4.1 Ban đầu, hệ thống được bật nguồn và xử lý dé khởi tạo Sau đó, quá trình thử nghiệm tiễn hành như sau: nam“ pent tt ttt ene,
1 (Manufacturer) h ! (Home Gateway - Raspberry Pi) Light Ị
1 Database Services | i ’ ¡ (ESP32 + Fan là p§ THH -=-e==e======== ' 1 1 H _ 1 i h i † ' et | k 4 H
{| nenji rot Wifi IEEE 802.11n ' `3“ i hed am | Bluetooth BLE 5.0 @ ' it Database Services ! ! ' !
Hình 4.1 Quy trình thử nghiệm của mô hình
(1) Người dùng sử dụng giao diện Web dé đăng ký thiết bị vào hệ thống Trong quá trình đăng ký, hệ thống tiễn hành xác thực với Server của nhà sản xuất dé lay file mô tả của thiết bị và sau đó lưu trữ thông tin này trong hệ thống.
(2) Sau khi đã đăng ký thành công, người dùng có thể sử dụng trang Web của hệ thong dé kết nối và điều khién các thiết bị đã đăng ký Trên giao diện Web, họ có thé thực hiện các thao tác điêu khiên và tương tac với các thiệt bi theo mong muôn.
Dé đánh giá mức độ khả thi của chương trình xử lý trên các máy tính nhúng có cấu hình thấp, nhóm thực hiện chạy thử chương trình trên Raspberry Pi 4 model B. Với Home Gateway nhóm nghiên cứu sử dung Raspberry dé điều khiển và kiểm soát các yêu cầu từ người dùng Raspberry Pi 4 model B với thông số kỹ thuật như sau: e Broadcom BCM2711, Quad core Cortex-A72 (ARM v8) 64-bit SoC @
1.5GHz e 4GB LPDDR4-2400 SDRAM e WiFi chuẩn 2.4 GHz và 5.0 GHz IEEE 802.1 lac Bluetooth 5.0, BLE e Khe cam Micro-SD cho hệ điều hành và lưu trữ e Nguồn điện DC 5V - 3A DC chuẩn USB-C e 5V DC via GPIO header (minimum 3A*) b) Thanh phan cua thiét bi
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một giải pháp dé mô phỏng các thiết bị IoT trong một hệ thống nhà thông minh Sản phẩm này được thiết kế băng cách kết hợp module ESP32 với các thành phan đơn giản như đèn LED, quạt mini, LED RGB hoặc màn hình OLED 0.9 inch I2C Nhờ sự kết hợp này, nhóm nghiên cứu có thé tạo ra một môi trường ảo dé mô phỏng và điều khiến các thiết bị trong hệ thống IoT mà không cần sử dụng các thiết bị thật.
Module ESP32 được chọn vì tính linh hoạt và khả năng kết nối mạng của nó ESP32 cung cấp một nền tảng mạnh mẽ dé xây dựng ứng dung IoT, cho phép giao tiếp với các thiết bị khác như máy chủ trung tâm hoặc điều khiển từ xa Với module này, nhóm nghiên cứu có thể tạo ra một giao diện điều khiển đơn giản để tương tac với các thiết bị mô phỏng Bên cạnh đó, module có tích hợp sẵn phương thức giao tiếp là Bluetooth và WiFi phục vu cho việc kết nối dé dang hơn chứ không cần phải dùng thông qua module Bluetooth hay module WiFi nào riêng.
Hình 4.4 Các thiết bị theo thứ tự Led đơn, Led RGB, quạt mini 5V, màn hình OLED
Các thành phần như đèn LED, quạt mini, LED RGB va màn hình OLED 0.9 inch I2C được sử dung dé mô phỏng các thiết bi trong nhà thong minh Chúng tôi có thé điều khiển đèn LED dé bật/tắt hoặc thay đổi màu sắc thay cho đèn bulb lớn, điều
25 chỉnh tốc độ quạt mini thay cho điều khiển một cái quạt lớn thật, hoặc hiển thị nội dung trên màn hình OLED như một TV thật Nhờ sự kết hợp giữa module ESP32 và các thành phần này, nhóm nghiên cứu có thể tái tạo các chức năng và tương tác của các thiết bị IoT thực tế.
Với sản pham mô phỏng này, nhóm nghiên cứu có thé thử nghiệm và phát triển các ứng dụng IoT trong một môi trường an toàn và linh hoạt Nó cũng cung cấp một cách tiết kiệm và thuận tiện để kiểm tra và tinh chỉnh các tính năng trước khi triển khai trên các thiết bị thực tế.
4.1.2 Web điều khiến và Server a) Web điều khiển
Dé nâng cao sự thuận tiện cho người dùng, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một trang web hỗ trợ việc quản ly và điều khién thiết bị, giúp người dùng dé dang hơn.
Nhóm của chúng tôi đã đặt mục tiêu xây dựng một trang web đơn giản nhưng đáng tin cậy và dé sử dụng Chúng tôi bat đầu bằng việc tập trung vào trải nghiệm người dùng, nhằm đảm bao rang giao điện trang web được thiết kế dé dé dàng tương tác và hiểu. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã sử dụng giao thức HTTP để xác định và xử lý các yêu cầu của người dùng Điều này cho phép chúng tôi thu thập thông tin từ người dùng, như các biểu mẫu hoặc thông tin đăng nhập, và xử lý các yêu cầu đó dé hiển thị các trang web tương ứng.
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu đã quản lý các tệp HTML, CSS và JavaScript cần thiết để xây dựng trang web Nhóm đã chia nhỏ các phần của trang web thành các tệp riêng lẻ, đảm bảo tính cấu trúc và sự rõ ràng của mã nguồn Điều này cũng cho phép chúng tôi nhanh chóng chỉnh sửa và bảo trì các thành phan cụ thé của trang web mà không ảnh hưởng đến các phần khác.
Khi thiết kế giao diện trang web, nhóm nghiên cứu đã đặt sự tiện lợi và sự tương tác của người dùng lên hàng đầu Nhóm đã xem xét cách sắp xếp thông tin và tính năng trên giao diện dé đảm bảo sự rõ ràng và dễ sử dung Chúng tôi đã tạo
26 ra một luồng điều hướng rõ ràng và logic, giúp người dùng dễ dàng điều hướng và tìm kiếm thông tin.
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đã tối ưu hóa khả năng tương tác và trải nghiệm người dùng bằng cách sử dụng các công nghệ web Nhóm nghiên cứu đã đảm bảo rằng trang web của nhóm tương thích trên nhiều trình duyệt và thiết bị khác nhau, từ máy tính dé bàn đến điện thoại di động Chúng tôi cũng đã tối ưu hóa thời gian tải trang web, đảm bảo rằng người dùng không phải chờ đợi lâu dé truy cập nội dung.
