Báo cáo bài tập lớn môn iot và ứng dụng Đề tài nhà thông minh và ứng dụng trên thiết bị di Động

Đề tài "Mô hình nhà thông minh ứng dụng IoT" được chúng em thực hiện với mụctiêu nghiên cứu và phát triển một hệ thống nhà thông minh ứng dụng các công nghệ IoThiện đại.. Với sự phát tri

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚNMÔN: IoT VÀ ỨNG DỤNG

ĐỀ TÀI: NHÀ THÔNG MINH VÀ ỨNG DỤNG TRÊN THIẾT BỊ DI ĐỘNG

Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Tài Tuyên

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, công nghệ Internet of Things (IoT) đã tạo ra nhữngbước tiến vượt bậc, mở ra một kỷ nguyên mới trong việc tự động hóa và kết nối các thiết

bị Đặc biệt, trong lĩnh vực nhà thông minh, IoT đang thay đổi cách thức chúng ta sống,làm việc và tương tác với môi trường xung quanh Những ứng dụng của IoT trong nhàthông minh không chỉ mang lại sự tiện nghi mà còn giúp tối ưu hóa năng lượng, cải thiện

an ninh và nâng cao chất lượng cuộc sống

Đề tài "Mô hình nhà thông minh ứng dụng IoT" được chúng em thực hiện với mụctiêu nghiên cứu và phát triển một hệ thống nhà thông minh ứng dụng các công nghệ IoThiện đại Với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị kết nối, việc điều khiển, giám sát vàtối ưu hóa các hoạt động trong ngôi nhà trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn bao giờ hết Đềtài không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các thành phần cấu thành của một hệ thống nhà thôngminh, mà còn khám phá các vấn đề kỹ thuật như giao thức truyền thông, bảo mật dữ liệu

và tối ưu hóa năng lượng

Trong quá trình nghiên cứu, chúng em nhận được sự hỗ trợ và hướng dẫn quý báu

từ giảng viên Nguyễn Tài Tuyên, người đã giúp chúng em tiếp cận những kiến thức sâurộng về IoT và ứng dụng của nó trong thực tế Em hy vọng với những kết quả đạt được

từ đề tài này, có thể đóng góp một phần nhỏ vào việc phát triển công nghệ nhà thôngminh trong tương lai, nâng cao chất lượng cuộc sống cho cộng đồng

Xin chân thành cảm ơn sự chỉ dẫn của thầy Nguyễn Tài Tuyên, cùng những nguồntài liệu phong phú đã giúp chúng em hoàn thành đề tài này

Hà Nội, ngày 11 tháng 12 năm 2024

Trưởng nhóm ký tên

Nguyễn Trọng Kính

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

MỞ ĐẦU 3

1 Lý do chọn đề tài 3

2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 3

3 Mục đích nghiên cứu 4

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

4.1 Đối tượng nghiên cứu: 4

4.2 Phạm vi nghiên cứu: 4

5 Phương pháp nghiên cứu 4

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN 5

1.1 Tổng quan về IoT ( Internet of Things) 5

1.2 Tổng quan về mô hình Nhà thông minh (Smart Home) 5

1.3 Tổng quan về MQTT ((Message Queuing Telemetry Transport)) 6

CHƯƠNG 2 - PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG 7

2.1 Thiết kế phần cứng: 7

2.2 Code Arduino: 7

Chương 3: ỨNG DỤNG TRÊN THIẾT BỊ DI ĐỘNG 16

3.1 Tổng quan về ứng dụng 16

3.2 Các block logic của ứng dụng: 19

KẾT LUẬN 22

1 Kết quả đạt được 22

2 Hạn chế 22

3 Định hướng phát triển trong tương lai 22

DANH SÁCH TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nhà thông minh là một trong những xu hướng công nghệ nổi bật trong thời đạihiện nay, khi mà IoT (Internet of Things) ngày càng được ứng dụng sâu rộng trong đờisống Việc lựa chọn đề tài này xuất phát từ nhu cầu thực tế về sự tiện nghi, an toàn và tối

ưu hóa năng lượng trong quản lý nhà ở Trong bối cảnh hiện đại, con người ngày càngquan tâm đến việc cải thiện chất lượng cuộc sống, và nhà thông minh cung cấp các giảipháp tự động hóa, tiết kiệm thời gian, và tăng cường bảo mật

Bên cạnh đó, với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị IoT, mô hình nhà thôngminh còn mở ra cơ hội học tập và nghiên cứu các công nghệ tiên tiến như cảm biến, viđiều khiển, giao thức truyền thông (như MQTT, Zigbee), và trí tuệ nhân tạo (AI) Đề tàicũng góp phần giải quyết những vấn đề xã hội quan tâm như tiêu thụ năng lượng hiệuquả, giảm thiểu rủi ro cháy nổ, hay bảo vệ môi trường thông qua việc sử dụng công nghệtối ưu

Ngoài ra, mô hình nhà thông minh có tiềm năng ứng dụng rộng rãi, không chỉtrong đời sống gia đình mà còn trong các lĩnh vực kinh doanh, giáo dục và y tế Do đó,việc nghiên cứu và triển khai đề tài không chỉ có ý nghĩa trong việc học tập mà còn tạo

ra giá trị thực tiễn cao, đồng thời cung cấp kiến thức nền tảng cho các dự án IoT trongtương lai

2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Nghiên cứu về mô hình nhà thông minh tập trung vào việc giải quyết nhiều vấn

đề quan trọng, từ thiết kế hệ thống đến ứng dụng thực tế Một trong những vấn đề cốtlõi là kiến trúc hệ thống, bao gồm việc lựa chọn các thiết bị, cảm biến và giao thứctruyền thông để đảm bảo sự linh hoạt và tương thích Các giao thức như MQTT,Zigbee hay Bluetooth cần được nghiên cứu để đảm bảo kết nối ổn định giữa các thiết

bị Bên cạnh đó, tự động hóa và trí tuệ nhân tạo đóng vai trò quan trọng trong việc tạo

ra các kịch bản tự động hóa thông minh, tối ưu hóa năng lượng và cải thiện trảinghiệm người dùng Một vấn đề khác cần được nghiên cứu là bảo mật và quyền riêng

tư của người dùng, vì các thiết bị IoT dễ bị tấn công nếu không có các biện pháp bảo

vệ thích hợp Ngoài ra, việc phát triển các ứng dụng di động thân thiện, cùng với cácgiao diện người dùng trực quan, là yếu tố không thể thiếu để điều khiển hệ thống nhàthông minh Cuối cùng, việc đánh giá tính thực tiễn và khả năng mở rộng của hệthống, đặc biệt là trong điều kiện hạ tầng mạng hạn chế, là vấn đề quan trọng để đảmbảo sự thành công và hiệu quả lâu dài của nhà thông minh

3 Mục đích nghiên cứu

Mục đích chính của nghiên cứu này là phát triển và triển khai thành công một ứng dụng điều khiển từ xa trên android và thiết kế được một bảng mạch mô hình đơn giản về các cảm biến được sử dụng trong mô hình nhà thông minh

Nghiên cứu tập trung vào việc tạo ra một ứng dụng dễ sử dụng, có thể tích hợp trong các môi trường làm việc từ xa đồng thời thiết kế nên một board mạch có tính ứng dụng cao trong thực tế

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu:

Giao thức MQTT, module ESP32, các cảm biến thông dụng được sử dụng trong các mô hình nhà thông minh trong thực tế

4.2 Phạm vi nghiên cứu:

Dự án tập trung vào việc phát triển ứng dụng bật tắt các thiết bị từ xa thông qua giao thức MQTT, đồng thời thiết kế và phát triển một board mạch sử dụng module ESP32 để kết nối cũng như tương tác giữa các cảm biến

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài này bao gồm:

Phân tích lý thuyết: Nghiên cứu tài liệu về các cảm biến và giao thức kết nốiMQTT

Phát triển phần mềm: Sử dụng các kiến thức lý thuyết để thực hiện thiết kế, phát triển

ra ứng dụng

Thử nghiệm và đánh giá: Thử nghiệm ứng dụng trong các môi trường mạng khácnhau để đánh giá hiệu suất, tính ổn định và bảo mật của ứng dụng Kết quả thửnghiệm sẽ được so sánh với các giải pháp hiện có để đưa ra đánh giá khách quan

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN1.1 Tổng quan về IoT ( Internet of Things)

Internet of Things (IoT) là mạng lưới các thiết bị vật lý được kết nối với internet,bao gồm cảm biến, phần mềm và các công nghệ khác, cho phép thu thập, trao đổi và xử

lý dữ liệu một cách tự động mà không cần sự can thiệp của con người IoT bao gồm bathành phần chính: thiết bị vật lý như cảm biến hoặc thiết bị gia dụng, hệ thống kết nốimạng sử dụng các giao thức như Wi-Fi hoặc Zigbee, và hệ thống xử lý dữ liệu, thường làtrên nền tảng đám mây IoT đã tạo ra các ứng dụng đột phá trong nhiều lĩnh vực như nhàthông minh, y tế, nông nghiệp, giao thông và công nghiệp, mang lại lợi ích lớn trong việctối ưu hóa nguồn lực, tự động hóa và cải thiện chất lượng cuộc sống Tuy nhiên, IoTcũng đối mặt với các thách thức lớn về bảo mật, quyền riêng tư, chi phí triển khai vàquản lý dữ liệu Với sự hỗ trợ của công nghệ tiên tiến như AI, 5G và blockchain, IoTđược kỳ vọng sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ, đóng góp vào việc xây dựng các giải phápthông minh và bền vững trong tương lai

1.2 Tổng quan về mô hình Nhà thông minh (Smart Home)

Nhà thông minh (Smart Home) là một hệ thống tích hợp các thiết bị điện tử và côngnghệ IoT (Internet of Things) để tự động hóa và điều khiển các hoạt động trong ngôi nhà.Thông qua kết nối mạng, người dùng có thể giám sát, điều khiển và quản lý các thiết bị

từ xa bằng smartphone, máy tính bảng hoặc bằng giọng nói Nhà thông minh không chỉmang lại sự tiện nghi mà còn giúp tối ưu hóa năng lượng và đảm bảo an toàn cho người

sử dụng

Mô hình nhà thông minh bao gồm năm thành phần chính Đầu tiên là các thiết bịthông minh như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, chuyển động, cùng với các thiết bịđầu ra như đèn, máy lạnh, và rèm cửa tự động Tiếp theo là hệ thống điều khiển trungtâm (hub hoặc gateway), đóng vai trò kết nối và xử lý dữ liệu giữa các thiết bị trong nhà.Thứ ba là kết nối mạng, thường sử dụng các giao thức như Wi-Fi, Zigbee, hoặcBluetooth để truyền thông tin giữa các thiết bị Thành phần thứ tư là ứng dụng di động,giúp người dùng quản lý và điều khiển nhà thông minh qua giao diện đơn giản và dễ sửdụng Cuối cùng, hạ tầng đám mây được dùng để lưu trữ dữ liệu, phân tích thông minh

và hỗ trợ tích hợp với các nền tảng AI như Google Assistant hoặc Amazon Alexa.Nhà thông minh cung cấp nhiều chức năng nổi bật Người dùng có thể điều khiển từ

xa các thiết bị điện trong nhà, chẳng hạn như bật/tắt đèn hoặc điều chỉnh nhiệt độ điềuhòa dù không có mặt tại nhà Các hệ thống tự động hóa giúp thiết lập kịch bản như đèn

tự động bật khi trời tối hoặc rèm cửa đóng khi ánh sáng quá mạnh Ngoài ra, nhà thôngminh còn hỗ trợ giám sát và bảo mật với camera, cảm biến an ninh và cảnh báo khi pháthiện nguy cơ như rò rỉ gas hay cháy nổ Một tính năng quan trọng khác là tối ưu hóanăng lượng, giúp giảm tiêu thụ điện và chi phí sinh hoạt nhờ tự động ngắt thiết bị khikhông sử dụng

Nhà thông minh mang lại nhiều lợi ích thiết thực trong cuộc sống Nó cung cấp sựtiện nghi khi người dùng có thể kiểm soát mọi thiết bị trong nhà qua điện thoại di động

mà không cần di chuyển Đồng thời, hệ thống giúp đảm bảo an toàn với các cảnh báosớm về cháy nổ, xâm nhập trái phép hoặc rò rỉ khí độc Một lợi ích khác là tiết kiệmnăng lượng, nhờ khả năng tự động hóa và giám sát tiêu thụ điện Ngoài ra, giao diện tíchhợp trên ứng dụng giúp người dùng dễ dàng quản lý mọi hoạt động trong nhà trên mộtnền tảng duy nhất

Dù mang lại nhiều lợi ích, mô hình nhà thông minh vẫn còn một số hạn chế Chiphí đầu tư ban đầu thường cao, đặc biệt với các hệ thống hiện đại và đầy đủ chức năng

Hệ thống này cũng phụ thuộc vào kết nối internet, nên việc mất mạng có thể gây giánđoạn trong điều khiển từ xa hoặc giám sát Một vấn đề đáng lo ngại khác là nguy cơ bảomật, khi các thiết bị IoT có thể bị tấn công mạng nếu không được bảo vệ kỹ lưỡng Cuốicùng, sự thiếu đồng bộ giữa các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau có thể gây khókhăn trong quá trình tích hợp và sử dụng

1.3 Tổng quan về MQTT ((Message Queuing Telemetry Transport))

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức truyền thông nhẹ,được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong các môi trường có băng thông thấp, độ trễ caohoặc tài nguyên hạn chế, như các ứng dụng IoT Được phát triển lần đầu vào năm 1999bởi IBM, MQTT hoạt động theo mô hình publish/subscribe (xuất bản/đăng ký), nơi các

thiết bị IoT giao tiếp thông qua một máy chủ trung gian gọi là broker.

Trong hệ thống MQTT, các thiết bị không giao tiếp trực tiếp với nhau mà thông quabroker Các thiết bị publish dữ liệu lên các chủ đề (topics) cụ thể, và những thiết bị quantâm sẽ subscribe để nhận thông tin từ các chủ đề đó Điều này giúp giảm tải cho thiết bị

và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống MQTT hỗ trợ ba cấp độ chất lượng dịch vụ (QoS): gửitối thiểu một lần (at least once), gửi đúng một lần (exactly once), và gửi tối đa một lần(at most once), phù hợp với các yêu cầu khác nhau về độ tin cậy

MQTT được đánh giá cao bởi khả năng sử dụng ít tài nguyên và tính linh hoạt, làmcho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng trong các ứng dụng IoT như nhà thông minh,giám sát công nghiệp, hoặc quản lý năng lượng Tuy nhiên, giao thức này cũng có nhữngthách thức, đặc biệt là trong bảo mật, vì dữ liệu có thể bị đánh cắp nếu không được mãhóa hoặc bảo vệ đúng cách Để giải quyết vấn đề này, MQTT thường được triển khai vớicác lớp bảo mật như SSL/TLS nhằm đảm bảo an toàn trong việc truyền dữ liệu

- Cảm biến âm thanh

- Cảm biến phát hiện vật cản hồng ngoại

- Board và các dây kết nối

Các chân GND và VCC của các cảm biến được nối với chân GND và 3V3 của ESP32.Chân DATA của DHT11 được nối với chân D18 trên ESP32

Chân OUT của cảm biến âm thanh được nối với chân D13 trên ESP32

Chân OUT của cảm biến phát hiện vật cản được nối với chân D27 trên ESP32

Đèn LED trắng, xanh lục, xanh lam, đỏ lần lượt nối với chân D26, D33, D32, D19.Đèn LED trắng là đèn LED báo hiệu phát hiện vật cản từ cảm biến phát hiện vật cản,đèn LED xanh dương mô phỏng quạt, đèn LED xanh lá bật/tắt theo tín hiệu phát hiện

âm thanh từ cảm biến âm thanh

2.2 Code Arduino:

- Link:

https://drive.google.com/file/d/112rIzNli4gwZdf50YwPFhe59WpW0pUFG/view?usp=sharing

- IDE: Arduino IDE 2.3.2

- Các thư viện được sử dụng:

● WiFi.h: Kết nối WiFi.

● DHTesp.h: Đọc dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm.

● PubSubClient.h: Gửi/nhận dữ liệu qua giao thức MQTT.

● WiFiClientSecure.h: Đảm bảo kết nối an toàn với máy chủ MQTT.

- MQTT broker được sử dụng: HiveMQ:

- Khai báo thư viện và các chân I/O

#include <WiFi.h>

#include "DHTesp.h"

#include <PubSubClient.h>

#include <WiFiClientSecure.h>

● Thêm các thư viện:

○ WiFi.h: Kết nối ESP32 với mạng WiFi.

○ DHTesp.h: Đọc dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11.

○ PubSubClient.h: Gửi và nhận dữ liệu qua MQTT.

○ WiFiClientSecure.h: Tạo kết nối an toàn qua SSL/TLS.

● Khai báo các chân:

○ DHTPIN: Chân cảm biến DHT11.

○ LED: Đèn LED.

○ FAN: Quạt.

○ IRPIN & IRLED: Cảm biến và đèn hồng ngoại (IR).

○ SOUND & SOUNDLED: Cảm biến âm thanh và đèn LED âm thanh.

- Thông tin WiFi và MQTT

const char* ssid = "Tâng_5";

const char* password = "Tang5123456";

const char* mqtt_server = "2efecadacb8544af95a7cd4a873e2d87.s1.eu.hivemq.cloud";const int mqtt_port = 8883;

const char* mqtt_username = "klnq123";

const char* mqtt_password = "KinhNg123";

const char* topic = "Tempdata";

const char* clientId = "ESP32_Client_1";

● ssid và password: Thông tin kết nối mạng WiFi

● mqtt_server và mqtt_port: Địa chỉ và cổng của máy chủ MQTT

● mqtt_username và mqtt_password: Tài khoản MQTT

● topic: Chủ đề MQTT mà ESP32 gửi dữ liệu.

● clientId: ID của thiết bị.

- Các biến toàn cục

WiFiClientSecure espClient;

PubSubClient client(espClient);

● espClient: Tạo kết nối an toàn.

● client: Quản lý giao tiếp MQTT.

int IROutputState;

unsigned long startMillisIR;

unsigned long currentMillisIR;

const unsigned long periodIR = 200;

const unsigned long ledOnDuration = 2000;

unsigned long ledTurnOffMillis = 0;

● Quản lý cảm biến hồng ngoại (IR):

○ startMillisIR, currentMillisIR: Thời gian kiểm tra cảm biến IR.

○ ledOnDuration: Thời gian bật LED hồng ngoại khi phát hiện vật cản.

unsigned long previousMillis = 0;

const long interval = 5000;

String msgStr = "";

float temp, hum;

unsigned long lastEvent = 0;

bool soundLed = false;

● Quản lý thời gian và gửi dữ liệu:

○ interval: Chu kỳ gửi dữ liệu MQTT.

○ msgStr: Chuỗi dữ liệu để gửi qua MQTT.

○ soundLed: Trạng thái LED âm thanh.

● Kết nối ESP32 với mạng WiFi.

● In địa chỉ IP khi kết nối thành công

● Kết nối ESP32 với máy chủ MQTT

● Đăng ký các topic lights và fan để nhận lệnh điều khiển