6 1.2 Ứng dụng của khóa cửa điện tử thông minh trong hệ thống Smart Home .... 7 1.2.1 Các thiết bị khóa cửa điện tử thông minh trong hệ thống Smart Home trên thị trường.. 1.1 Đặt vấn đề
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Nhóm sinh viên thực hiện:
Phan Văn Quân MSSV: 20143650
Lê Nguyễn Mạnh MSSV: 20142851
Hà Nội, ngày 18 tháng 6 năm 2018
Trang 2MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv
LỜI NÓI ĐẦU 5
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KHÓA CỬA ĐIỆN TỬ THÔNG MINH TRONG HỆ THỐNG SMART HOME 6
1.1 Đặt vấn đề 6
1.2 Ứng dụng của khóa cửa điện tử thông minh trong hệ thống Smart Home 7
1.2.1 Các thiết bị khóa cửa điện tử thông minh trong hệ thống Smart Home trên thị trường 7 1.2.2 Ứng dụng khóa cửa điện tử thông minh trong hệ thống Smart Home 11
1.3 Kết luận chương 1 11
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ THIẾT BỊ KHÓA CỬA ĐIỆN TỬ THÔNG MINH 12
2.1 Mục đích thiết kế 12
2.2 Phương pháp thiết kế 12
2.2.1 Phương pháp thiết kế 12
2.2.2 Sơ đồ khối chức năng của thiết bị khóa cửa điện tử thông minh 13
2.3 Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh 14
2.3.1 Tính toán và lựa chọn thiết bị 14
2.3.2 Tìm hiểu giao thức MQTT (Message Queue Telemetry Transport) 22
2.4 Mã hóa bảo mật thông tin của hệ thống 31
2.4.1 Sơ lược về mã hóa bảo mật 31
2.4.2 Hệ mã hóa bất đối xứng RSA 32
2.5 Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh 40
2.5.1 Thiết kế mạch điều khiển phần cứng của thiết bị 40
2.5.2 Thiết kế chương trình điều khiển của thiết bị 41
2.5.3 Nguyên lý hoạt động của thiết bị 44
2.6 Kết luận chương 2 46
CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47
3.1 Kết quả đạt được 47
3.2 Kết luận đánh giá đề tài 49
3.3 Hướng phát triển của thiết bị trong tương lai 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO 50
Trang 3DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1 Hệ thống Smart Home 7
Hình 1-2 Hình ảnh khóa cửa Kwikset 8
Hình 1-3 Hình ảnh khóa cửa August Smart Lock 9
Hình 1-4 Hình ảnh khóa cửa của Schlage 10
Hình 1-5 Hình ảnh khóa cửa thông minh của BKAV 10
Hình 2-1 Sơ đồ khối chức năng của mạch khóa cửa thông minh 12
Hình 2-2 Sơ đồ khối của thiết bị khóa cửa điện tử thông minh 13
Hình 2-3 Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của module ESP8266-07 15
Hình 2-4 Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân LCD 5110C 16
Hình 2-5 Hình ảnh và sơ đồ chân bàn phím 4x4 16
Hình 2-6 Hình ảnh và sơ đồ chân SMT32F103RCT6 17
Hình 2-7 Hình ảnh chốt cửa điện từ 18
Hình 2-8 Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn cung cấp 18
Hình 2-9 Hình ảnh và sơ đồ chân IC ổn áp LM2596-5.0V và Adapter 12V 19
Hình 2-10 Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn 5V 19
Hình 2-11 Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn 3.3V 20
Hình 2-12 Mô hình giao thức MQTT 23
Hình 2-13 Quy trình truyền nhận dữ liệu với cờ clean session =1 28
Hình 2-14 Quy trình truyền dữ liệu khi cờ clean session =0 29
Hình 2-15 QoS level 0: Chế độ “At most once delivery” 29
Hình 2-16 QoS level 1: Chế độ “At least once delivery” 30
Hình 2-17 QoS level 2: Chế độ “Exactly once delivery” 30
Hình 2-18 Mô hình mã hóa bảo mật 31
Hình 2-19 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển của thiết bị 40
Hình 2-20 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển trung tâm 41
Hình 2-21 Lưu đồ thuật toán chương trình nhận gửi dữ liệu qua wifi 43
Hình 2-22 Luồng thông tin quá trình hoạt động trong thiết bị 45
Hình 3-1 Hình ảnh mặt trước của hệ thống, 47
Hình 3-2 Hình ảnh mặt sau của hệ thống 48
Hình 3-3 Hình ảnh phần mạch điều khiển của hệ thống 48
Trang 4DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1 So sánh một số module wifi có sẵn trên thị trường 14
Bảng 2-2 Mức tiêu thụ điện năng tối đa của các linh kiện chính trong mạch 20
Bảng 2-3 Danh sách các file, hàm và chức năng hàm trong file 42
Bảng 2-4 Danh sách các file, hàm và chức năng hàm trong file 43
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Từ đầy đủ
MQTT Message Queue Telemetry Transport
UART Universal asynchronous receiver-transmitter SPI Serial Peripheral Interface bus
Trang 5LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, sự phát triển về khoa học kỹ thuật đặc biệt là cuộc cách mạng 4.0 về khoa học kỹ thuật đang đẩy mạnh trên thế giới Sự phát triển về IoT (Internet of Things) mạng lưới vạn vât kết nối internet là sự phát triển vượt bậc của con người về công nghệ IoT sẽ giúp nâng cao đời sống và chất lượng của con người càng ngày càng cao cấp và tiện lợi hơn
Hiện nay công nghệ nước ta được đánh giá là đang bước đầu bắt kịp với cuộc cách mạng công nghệ 4.0 của thế giới Đất nước ta đang phát triển nhưng còn khó khăn chưa đáp ứng điều kiện tốt nhất cho việc học tập và nghiên cứu của sinh viên, điều này cũng chính là động lực cho chúng ta có những sáng tạo mới, ý tưởng mới giúp cho việc học của mình và bạn bè được tốt hơn Những lần làm đồ án chính là lúc mà chúng ta được phát huy trí sáng tạo của mình Chính vì vậy trong lần làm đồ án, dưới sự hướng dẫn
nhiệt tình giáo viên hướng dẫn PGS-TS Bùi Đăng Thảnh, chúng em đã hoàn thành đề tài “Đề tài: Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh” đúng thời gian
Với trình độ và thời gian còn nhiều hạn chế, chúng em đã cố gắng nhưng không tránh khỏi những thiếu sót, mong quý thầy cô và bạn bè đóng góp ý kiến để đề tài ngày càng hoàn thiện Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến
thầy Bùi Đăng Thảnh đã nhiệt tình hướng dẫn chúng em đồ án này Những kiến thức
này sẽ là hành trang cho chúng em trong quá trình học tập và làm việc ở trường cũng như khi tốt nghiệp Chúng em cũng xin ơn tất cả những tình cảm nhiệt thành, tâm huyết của các thầy cô trường Bách Khoa đã dành cho chúng em Chúng em rất tự hào khi khoác lên mình tấm áo choàng sinh viên Bách Khoa, kỹ sư Bách Khoa Cảm ơn tất cả những gì thuộc về Bách Khoa Đến đây em cũng xin kính chúc quý thầy cô luôn luôn
có sức khỏe dồi dào, trí lực minh mẫn, tinh thần khoa học để luôn phát triển ngành khoa học kỹ thuật nước nhà hơn nữa Chúc Bách Khoa và con người Bách Khoa luôn luôn phát triển phát triển mạnh mẽ Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 18 tháng 6 năm 2018
Phan Văn Quân- Lê Nguyễn Mạnh
Trang 6CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KHÓA CỬA ĐIỆN TỬ THÔNG MINH TRONG HỆ THỐNG SMART HOME
1.1 Đặt vấn đề
Nhà thông minh hay Smart Home là một ngôi nhà, căn hộ được trang bị hệ thống
tự động tiên tiến dành cho điều khển chiếu sáng, nhiệt độ, truyền thông đa phương tiện,
an ninh, rèm cửa, cửa… được điều khiển trực tiếp hay điều khiển từ xa qua smart phone, tablet hay máy tính cá nhân nhằm mục đích làm cho cuộc sống ngày càng tiện nghi, an toàn và góp phần sử dụng hợp lý các tài nguyên
Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối internet và điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc thiết lập cho các thiết bị ở nhà tự động hoạt động theo ý mình
Một trong những ví dụ cơ bản nhất của nhà thông minh là hệ thống kiểm soát mức
độ chiếu sáng của hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện và phù hợp với khung cảnh Ngoài
ra hệ thống có thể điều chỉnh rèm cửa, kiểm soát nhiệt độ, hệ thống camera Khóa cửa
tự động, chống trộm bên cạnh đó còn có những ứng dụng sáng tạo hơn gồm hệ thống điều khiển giải trí tại gia, điện thoại, hệ thống tưới nước…
Các chức năng này có thể thực hiện nhờ các thiết bị được kết nối với nhau và với
hệ thống máy tính trung tâm có thể theo dõi các trạng thái và ra quyết định thích hợp Các thành phần của hệ thống nhà thông minh bao gồm các cảm biến (nhiệt độ, ánh sáng, khí, ) các bộ điều khiển, máy chủ và các thiết bị chấp hành
Tính năng của nhà thông minh:
• An ninh giám sát
• Ánh sáng thông minh
• Điều khiển âm thanh, giải trí
• Duy trì môi trường xanh
• Điều khiển thiết bị từ xa qua Smart Phone, PC
Trang 7Hình 1-1 Hệ thống Smart Home
Vấn đề đảm bảo an ninh của ngôi nhà là điều cực kỳ quan trọng, cần thiết nhất của một
hệ thống Smart Home, có chức năng bảo vệ ngôi nhà tránh sự tấn công gây thiệt hại về tài sản của ngôi nhà Do đó, đây chính là lý do để nhóm chúng em quyết định lựa chọn
và nghiên cứu và thực hiện “Đề tài: Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh”
cho lần thực hiện đồ án chuyên ngành này
1.2 Ứng dụng của khóa cửa điện tử thông minh trong hệ thống Smart Home
1.2.1 Các thiết bị khóa cửa điện tử thông minh trong hệ thống Smart Home trên thị trường
1.2.1.1 Các thiết bị khóa cửa điện tử thông minh trên thị trường quốc tế
Trên thế giới, đã có rất nhiều hãng nổi tiếng dự đoán được sức phát triển mạnh
mẽ của thị trường khóa cửa điện tử thông minh Smart Key, Smart Lock, … có thể bao gồm nhiều tính năng như mở khóa bằng vân tay, thẻ từ, bluetooth, keypad, App, … điển hình có một số công ty có sản phẩm nổi bật được đánh giá rất cao như Kwikset, August, Schlage, Yale assure, Kaadas, Samsung, …
Kwikset [1] là một Smartkey đầu tiên trên thị trường, được sản xuất bởi Unikey với tính năng Tap-to-Unlock làm cho nó trở thành ổ khóa rất dễ sử dụng Ngoài sự lựa chọn khóa bằng chìa khóa thông thường thì nó cho phép mở khóa thông qua Bluetooth trên điện thoại Mỗi khi điện thoại nằm trong phạm vi thì chỉ cần 1 lần chạm vào khóa
Trang 8trong cánh cửa (trong nhà) hay là ngoài nhà Khi người dùng ở phía ngoài thì tính năng này mới kích hoạt nhằm đảm bảo an toàn Ngoài ra hãng cũng đã phát triển nó có thể điều khiển thông qua app điện thoại (có tên là Kevo) cho phép đóng, mở, thêm người trong gia đình, lưu lại các lịch sử đóng mở khóa cũng như đặt lịch hẹn để khóa mở tự động thông qua Internet và Bluetooth (cho bất cứ người nào có Smartphone) Ngoài ra
nó cũng cung cấp bộ Kevo convert cho phép chuyển đổi từ ổ khóa thông thường thành một smartkey có các tính năng trên
Hình 1-2 Hình ảnh khóa cửa Kwikset
Với August [2] thì có tính năng khá ít hơn so với Kwikset, chỉ cung cấp tiện ích giám sát, điều khiển đóng mở từ xa qua app, tự động mở khi tiếp cận và đóng khi rời khỏi nhà Tuy nhiên, ngoài kết nối Internet và Bluetooth nó còn hỗ trợ Z-wave Bên cạnh đó, August Smart Lock cũng làm việc được với các bộ điều khiển trung tâm Smarthome cùng trợ lý ảo của các công ty lớn Apple-Homekit & Siri, Amazon-Echo & Alexa, Google-Google Home & Assistant
Trang 9Hình 1-3 Hình ảnh khóa cửa August Smart Lock
Schlage [3] là hãng chuyên về khóa cửa với dòng sản phẩm khóa cửa thông minh Sense Smart Deadbolt Thiết bị này sẽ ghép với adapter Sense Wi-Fi của hãng cho các kết nối không dây và khả năng truy cập từ xa Ban đầu, sản phẩm khóa thông minh này chỉ tương thích với HomeKit và yêu cầu phải có Apple TV để sử dụng truy cập từ xa Sau đó, hãng đã tung ra thị trường adapter Sense Wi-Fi, cho phép cả người dùng iOS lẫn Android có thể truy cập vào khóa thông minh từ xa thông qua ứng dụng Schlage Sense của hãng Ứng dụng này cho phép bạn thiết lập mã mở khóa duy nhất cho mọi người, lập lịch mở khóa dành cho người ngoài chẳng hạn như khách tới chơi hay liên hệ công tác, và thậm chí thông báo đến chủ nhà khi khóa được ai đó sử dụng Và nay thì dòng sản phẩm này đã hỗ trợ nền tảng Google Home, cho phép người dùng Android có thể sử dụng trợ lý ảo Assistant để khóa cửa hoặc yêu cầu mở hoặc khóa cửa bằng giọng nói, thông qua điện thoại hay truy xuất vào phần mềm Việc hỗ trợ Google Assistant đã đưa dòng khóa thông minh Sense Smart Deadbolt trở thành một trong số ít sản phẩm trên thị trường hỗ trợ cả ba ông lớn Amazon, Apple và Google thông qua trợ lý ảo và nền tảng nhà thông minh riêng của từng hệ sinh thái
Trang 10Hình 1-4 Hình ảnh khóa cửa của Schlage
1.2.1.2 Các thiết bị khóa cửa thông minh trên thị trường Việt Nam
Tại Việt Nam nhắc đến nhà thông minh người ta nghĩ ngay đến thương hiệu BKAV Smarthome [4] Với BKAV Smarthome, họ đưa ra giải pháp cho phép bạn quản lý và điều khiển toàn bộ các thiết bị trong nhà thông qua máy tính bảng hoặc Smartphone Bạn sẽ dễ dàng kiểm soát ngôi nhà, từ việc điều khiển hệ thống ánh sáng, điều hoà, rèm cửa, hệ thống âm thanh, hệ thống an ninh, …trực tiếp trên giao diện điều khiển 3D Hệ thống khóa cửa của BKAV kiểm soát việc vào ra ngôi nhà bằng nhập mật mã, quét vân tay hoặc dùng thẻ RFID, camera được lắp đặt trên thiết bị để xem ai trước cửa, hình ảnh
được gửi lên màn hình điều khiển
Hình 1-5 Hình ảnh khóa cửa thông minh của BKAV
Trang 111.2.1.3 Các công nghệ được sử dụng trong Smart Home
Các công nghệ không dây được sử dụng phổ biến trong hệ thống SmartHome
- Công nghệ không dây Wifi: Apple, Samsung, LG, Google, BKA, ACIS …
- Công nghệ không dây Bluetooth: BlueTech, Home Seer,
- Công nghệ không dây Zigbee: Lumi, ACIS,
- Công nghệ không dây Z-wave, 3G, …
1.2.2 Ứng dụng khóa cửa điện tử thông minh trong hệ thống Smart Home
Như đã trình bày, hệ thống khóa cửa điện tử thông minh là một phần không thể thiếu của hệ thống smart home, và thành phần quan trọng nhất của hệ thống này chính
là bảo mật và an ninh Ứng dụng của khóa cửa điện tử thông minh trong nhà thông minh
có thể kể đến như sau:
❖ Tự động mở hoặc đóng cửa khi cần thiết
❖ Điều khiển đóng hoặc mở cửa từ xa qua các thiết bị
về thiết bị mà nhóm em muốn xây dựng Tiếp theo chương 1, sau đây nhóm em sẽ trình bày chi tiết về những yêu cầu đặt ra và phương pháp thiết kế chi tiết cho hệ thống của mình
Trang 12CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ THIẾT BỊ KHÓA CỬA
ĐIỆN TỬ THÔNG MINH
2.1 Mục đích thiết kế
Từ những vấn đề và lý do đã nêu ở trên nhóm chúng em quyết định chọn “Đề tài:
Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh” cho đồ án chuyên ngành Nhóm chúng
em hy vọng sẽ thiết kế thiết bị đạt được kết quả sau:
❖ Thiết kế thiết bị khóa cửa đảm bảo an ninh về mặt cơ khí và thẩm mỹ
❖ Thiết kế thiết bị khóa cửa đảm bảo an ninh về mặt điện tử phần mềm
❖ Thiết bị có thể đóng mở cửa bằng các thiết bị điều khiển từ xa, thông qua Internet
❖ Thiết bị có thể đóng mở cửa bằng “KEYPAD” tại chỗ
❖ Thiết bị có kết nối mạng, kết nối được với hệ thống Smart Home
❖ Thiết bị có tính mã hóa bảo mật cao, không thể xâm nhập từ bên ngoài
❖ Có màn hình hiển thị các thông tin trạng thái
2.2 Phương pháp thiết kế
2.2.1 Phương pháp thiết kế
Từ các mục đích thiết kế mong muốn, công việc đầu tiền để có thể thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh đó chính là thiết kế từng các khối chức năng được thể hiện như hình 2-1
KHỐI NGUỒN CUNG CẤP.
KHỐI XỬ
LÝ TRUNG TÂM
Hình 2-1 Sơ đồ khối chức năng của mạch khóa cửa thông minh
Trang 13Đối với khối nguồn cung cấp, cần tính toán và thiết kế phù hợp đảm bảo cung cấp nguồn với các điện áp khác nhau từng khối, đảm bảo công suất tiêu thụ
Đối với khối Rơ le đóng cắt cần chọ Rơ lê hoạt động ổn định, đóng cắt chính xác dưới tín hiệu điều khiển của vi điều khiển trung tâm
Đối với khối bàn phím có chức năng thực hiện nhập mật khẩu (passcode) để điều khiển trạng thái đóng mở cửa
Đối với khối hiển thị, cần chọn các màn hình hiển thị phù hợp với yêu cầu thẩm
mỹ, nhỏ gọn, đáp ứng các tính năng kỹ thuật hiển thị các trạng thái cần thiết
Đối với vi điểu khiển cần lựa chọn vi điều khiển có bộ vi xử lý mạnh để đảm bảo
về bảo mật, tốc độ xử lý nhanh, độ chính xác cao và cần hỗ trợ các chuẩn giao tiếp như: UART, SPI, I2C, … để có thể giao tiếp với các module truyền nhận không dây
Đối với module truyền nhận không dây, cần phân tích và lựa chọn công nghệ không dây wifi, zigbee, bluetooth, LoRaWan, … phù hợp với yêu cầu tích hợp vào hệ thống Smart Home trong thực tế
2.2.2 Sơ đồ khối chức năng của thiết bị khóa cửa điện tử thông minh
KHỐI NGUỒN CUNG CẤP.
KHỐI XỬ
LÝ TRUNG TÂM
Hình 2-2 Sơ đồ khối của thiết bị khóa cửa điện tử thông minh
Trang 142.3 Thiết kế thiết bị khóa cửa điện tử thông minh
2.3.1 Tính toán và lựa chọn thiết bị
2.3.1.1 Tính toán và lựa chọn module truyền nhận không dây
Đối với module truyền nhận không dây, qua tìm hiểu một số hệ thống Smart Home trên thị trường nhóm chúng em lựa chọn sử sụng công nghệ truyền không dây Wifi, để giao tiếp với mạng Wifi nhóm chúng em sẽ sử dụng module truyền nhận không dây Wifi
để thực hiện giao tiếp với modem wifi
Dưới đây là bảng so sánh một số loại module Wifi hiện nay tại Việt Nam
Bảng 2-1 So sánh một số module wifi có sẵn trên thị trường
Tên Module
Điện áp hoạt động(V)
Số kênh giao tiếp
Khoảng cách truyền nhận(m)
Tốc độ truyền nhận tối đa(bits/s)
Giá bán trên thị trường
ESP8266 ESP07 3.3V 5 100 - 500 115200 95.000
ESP8266 ESP12 3.3V 5 100 – 600 115200 105.000
Em đã lựa chọn module Wifi ESP8266-07 với giá thành rẻ, đạt đủ yêu cầu đặt ra
để tiến hành thực hiện, module Wifi ESP8266 - 07 với các thông số kỹ thuật chi tiết sau:
o MCU: ESP8266EX, vi điều khiển 32bit, tiết kiệm năng lượng
o Chuẩn điện áp hoạt động 3.3V
o Giao tiếp với vi điều khiển dựa trên chuẩn truyền thông UART
o Tốc độ Baurate lên tới 115200 (bit/s)
o Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n
o Wifi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2
o Hỗ trợ nhiều chuẩn bảo mật như OPEN, WEB, WPA_PSK, WPA2_PSK
o Hỗ trợ 2 giao tiếp TCP và UDP
o Số chân I/O: 11 (I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0)
o Làm việc như các máy chủ có thể kết nối tới 5 máy con
Trang 15Lí do chọn module ESP8266 -07 là vì:
❖ Giá thành rẻ, đạt đủ yêu cầu đặt ra để thực hiện
❖ Làm việc ổn định (ổn định hơn ESP 8266-V01)
❖ Đảm bảo giao tiếp Wifi ổn định, hỗ trợ các chuẩn giao tiếp phù hợp
Hình 2-3 Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của module ESP8266-07
2.3.1.2 Tính toán và lựa chọn khối hiển thị
Với yêu cầu đơn giản chỉ để hiện thị trạng thái của thiết bị, nhóm em đã tìm hiểu
và sử dụng màn hình LCD Nokia 5110C Với màn hình này ta có thể lập trình để hiện thị toàn bộ thông tin trạng thái được lên màn hình để người sử dụng có thể quan sát Nokia 5110C là một màn hình LCD đồ họa cơ bản cho nhiều ứng dụng Nokia 5110C Graphic LCD sử dụng bộ điều khiển PCD8544 Các PCD8544 là một sức mạnh CMOS LCD điều khiển/điều khiển thấp, được thiết kế để lái xe một màn hình hiển thị
đồ họa của 48 hàng và 84 cột Tất cả các chức năng cần thiết cho màn hình hiển thị được cung cấp trong một chip duy nhất, bao gồm cả trên chip thế hệ cung cấp màn hình LCD
và thiên vị điện áp, dẫn đến mức tối thiểu các thành phần bên ngoài và tiêu thụ điện năng thấp Các giao diện PCD8544 để vi điều khiển thông qua một giao diện SPI
Các thông số kỹ thuật của màn hình LCD Nokia 5110C:
• Điện áp làm việc 3V - 5V
• Độ phân giải: 84x48 pixels
• Điều khiển độ sáng màn hình bằng xung
• Chuẩn giao tiếp SPI
Trang 16Hình 2-4 Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân LCD 5110C
2.3.1.3 Tính toán và lựa chọn khối bàn phím
Thiết bị sử dụng bàn phím 4x4 SMD, với ưu điểm thiết kế nhỏ gọn, mỏng dễ dàng lắp đặt trên thực tế
Hình 2-5 Hình ảnh và sơ đồ chân bàn phím 4x4
2.3.1.4 Tính toán và lựa chọn khối rơ le đóng cắt
Thiết bị sử dụng Rơ le SRD-05VDC-SL-C với điện áp điều khiển 5VDC, chịu được tải với điện áp 250 VAC-10A Phù hợp đáp ứng với yêu cầu đóng cắt nhanh và chính xác của thiết bị
Trang 172.3.1.5 Tính toán và lựa chọn khối vi điều khiển trung tâm
Với yêu cầu của vi điểu khiển trung tâm cần lựa chọn vi điều khiển có bộ vi xử lý mạnh để đảm bảo về bảo mật, tốc độ xử lý nhanh, độ chính xác cao và cần hỗ trợ các chuẩn giao tiếp như: UART, SPI, I2C, … để có thể giao tiếp với các module truyền nhận không dây
Nhóm chúng em đã tìm hiểu và lựa chọn dòng vi điều khiển 32bit STM32 của hãng STMicroelectronics có khả năng xử lý tính toán tốt, tiết kiệm điện năng, giá thành thấp Với thư viện Standard Peripheral do nhà sản xuất cung cấp cấp có thể dễ dàng lập trình, cộng đồng hỗ trợ lớn, rất thích hợp với mục đích nghiên cứu khoa học
Vi điều khiển được lựa chọn là STM32F103RCT6 được thiết kế dựa trên dòng Cortex-M3: hiệu suất hệ thống cao, tiêu thụ năng lượng thấp, được thiết kế trên nền kiến trúc mới
Sự linh hoạt:
• Kích thước: 14x14 mm
• Có ngoại vi đa dạng, nhiều chân I/O
• Hai bộ chuyển đổi ADC, Timer, …
Trang 182.3.1.6 Tính toán và lựa chọn khối chốt khóa cửa
Thiết bị sử dụng khối chốt khóa cầ đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và cơ khí và điện tử, nhóm chúng em lựa chọn:
o Sử dụng khóa điện từ 12V được kích mở đóng bằng điện
o Được áp dụng nhiều trong các ứng dụng khóa điện, tử điện
2.3.1.7 Tính toán và lựa chọn khối nguồn
❖ Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn cung cấp:
Hình 2-8 Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn cung cấp
Trang 19Khối nguồn 5V DC: với khối nguồn 5V, ta đưa điện áp đo vào IC nguồn ổn áp điện áp của ADAPTER 12V-1A Ở đây ta lựa chọn IC nguồn LM2576-5V thông dụng do Texas Instrument sản xuất tạo ra dòng điện ổn áp 5VDC
Một số thông số kỹ thuật cơ bản của IC nguồn LM2576-5V:
• Điện áp cấp tối đa: 40V DC
• Dòng tiêu thụ tối đa: 30mA
• Điện áp đầu ra: 5V DC ± 4%
• Điều kiện hoạt động: 8V ≤ VIN ≤ 40V
• Dòng ra tải: 0.5 - 3A
• Dải nhiệt độ hoạt động: -400C - 1250C
Hình 2-9 Hình ảnh và sơ đồ chân IC ổn áp LM2596-5.0V và Adapter 12V
Hình 2-10 Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn 5V
Khối nguồn 3.3V DC: Khối nguồn 3V3 sử dụng IC ổn áp thông dụng AMS1117-3V3 thuộc kiểu IC nguồn tuyến tính Dòng ổn áp 5VDC được tạo ra bởi LM2576-5V trong khối 5VDC được cấp cho AMS1117-3V3 để tạo ra dòng điện ổn áp 3.3VDC
Một số thông số kỹ thuật chính của IC nguồn AMS1117-3V3:Điện áp cấp tối đa: 15V
• Dòng tiêu thụ tối đa: 11mA
• Điện áp đầu ra: 3.3V ± 3%
Trang 20• Điều kiện hoạt động: 1.5V ≤ (VIN - VOUT) ≤ 12V
• Dòng ra tải tối đa: 0.8A
• Dải nhiệt độ hoạt động: -400C - 1250C
Hình 2-11 Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn 3.3V
Yêu cầu đặt ra của mạch điều khiển về tiêu thụ điện năng có những chỉ tiêu cụ thể Vì vậy ta xây dựng bảng tiêu thụ điện năng của thiết bị để khảo sát sự phù hợp của các linh kiện trong thiết bị như sau:
Bảng 2-2 Mức tiêu thụ điện năng tối đa của các linh kiện chính trong mạch
lượng
Vcc (V)
Trang 21Trong đó: P d là công suất tiêu tán của LM2576-5V (W)
V IN là trị số điện áp đầu vào LM2576-5V (V)
I Q là giá trị dòng không tải (Quiescent current) (A)
V O là trị số điện áp ra từ LM2576-5V (V)
I LOAD là cường độ dòng điện ra tải (A)
V SAT là điện áp bão hòa của LM2576-5V (Saturated voltage) (V)
Tra tài liệu kĩ thuật của LM2576-5V, ta có I Qmax = 10mA, V SATmax = 2V Bên cạnh đó, ta
Với tính toán sơ bộ theo bảng 2.2, ta có I LOAD = 331 mA Như vậy, áp dụng công thức ta
tính được công suất tiêu tán của LM2576-5V:
12𝑉× 331𝑚𝐴 × 2𝑉 ≈ 0.396𝑊 Đối với IC nguồn AMS1117-3V3, công suất tiêu tán (Power Dissipation) trên IC nguồn này được tính theo công thức trên
d IN OUT LOAD
P = U −U I
Trong đó: P d là công suất tiêu tán của AMS1117-3V3 (W)
U IN là điện áp của dòng điện cấp cho AMS1117-3V3
U OUT là điện áp của dòng điện do AMS1117-3V3 tạo ra
Như đã trình bày, nguồn cấp cho AMS1117-3V3 được lấy từ dòng điện có điện áp 5V
do LM2576-5V tạo ra, vì vậy U IN = 5V Từ bảng 2-2, ta tính được dòng tải tiêu thụ bởi
các linh kiện hoạt động ở điện áp 3.3V DC là I LOAD (3.3V) = 91 mA Áp dụng công thức vào tính toán công suất tiêu tán cho AMS1117-3V3, ta có:
Pd= (5V-3.3V) ×91mA=0.155W
Trang 22Từ các dữ kiện đã tính toán, ta có thể tính được công suất tiêu thụ tối đa của thiết bị theo công thức dưới đây
( ) ( )
t max d
P =P i +P i
Trong đó: P max (i) là công suất tiêu thụ tối đa của linh kiện thứ i.
P d (i) là công suất tiêu tán của linh kiện thứ i
P t là công suất tiêu thụ tối đa của thiết bị
Theo tính toán, công suất tiêu thụ tối đa của khối thiết bị khóa cửa điện tử thông minh là:
𝑃𝑡 = ∑ 𝑃𝑚𝑎𝑥(𝑖) + ∑ 𝑃𝑑(𝑖) = 1.641𝑊 + 0.551 = 2.192 𝑊
2.3.2 Tìm hiểu giao thức MQTT (Message Queue Telemetry Transport)
2.3.2.1 Các khái niệm cơ bản
MQTT được tạo ra bởi Tiến sĩ Andy Standford-Clark của IBM và Arlen Nipper of Arcom năm 1999 như một phương thức đáng tin cậy hiệu quả với chi phí để kết nối các thiết bị giám sát
MQTT là giao thức truyền “message” theo mô hình xuất bản/đăng kí (publish/subcribe) Nó dựa trên một Broker (điểm trung gian) "nhẹ" (khá ít xử lý), và được thiết kế có tính mở (không đặc trưng cho ứng dụng nào), rất đơn giản và dễ để tích hợp MQTT phù hợp cho các ứng dụng M2M (Mobile to mobile), WSN (Wireless Sensor Networks) hay IoT (Internet of Things) Những đặc trưng này khiến MQTT rất
lý tưởng để sử dụng trong các môi trường bị giới hạn tài nguyên như:
• Những nơi mà giá mạng quá đắt hoặc băng thông thấp, hoặc độ tin cậy thấp
• Khi chạy trên một thiết bị nhúng bị giới hạn về tài nguyên tốc độ và bộ nhớ Các đặc trưng chính của giao thức bao gồm:
• Dạng truyền message cung cấp/thuê bao (publish/subcribe) cung cấp việc truyền tin phân tán 1-nhiều
• Việc truyền message là luôn không quan tâm đến nội dung truyền
Trang 23• Dựa trên nền TCP/IP để cung cấp đường truyền
• Dữ liệu bao bọc dữ liệu truyền (overhead) nhỏ (độ dài cố định luôn là 2 byte), and là gia thức giảm đến mức tối thiểu traffic đường truyền
• Có 3 loại QoS được đưa ra:
▪ At most once: “message” được truyền nhận dựa hoàn toàn vào tính tin cận
của TCP/IP Việc mất hoặc lặp message có thể xảy ra
▪ At least once: các message được đảm bảo nhận được nhưng có thể xảy ra lặp
▪ Exactly once: “message” được đảm bảo đến nơi đúng 1 lần
2.3.2.2 Mô hình của giao thức MQTT
Hình 2-12 Mô hình giao thức MQTT
MQTT client (publisher, subscriber): Client thực hiện subscribe đến topics để publish
và receive các gói tin
MQTT server (broker): Servers thực hiện run các topic, đồng thời nhận subscriptions
từ clients yêu cầu các topics, nhận các messages từ clients và forward chúng
Topic: Về mặt kỹ thuật, topics là các hàng đợi chứa message Về logic, topics cho phép
clients trao đổi thông tin và dữ liệu
Session: Một session được định nghĩa là kết nối từ client đến server Tất cả các giao tiếp
giữa client và server đều là 1 phần của session
Subscription: Không giống như sessions, subscription về mặt logic là kết nối từ client
đến topic Khi thực hiện subscribed đến topic, client có thể trao đổi messages với topic Subscriptions có thể ở trạng thái ‘transient’ hoặc ‘durable’, phụ thuộc vào cờ clean session trong gói Connect
Message: Messages là các đơn vị dữ liệu được trao đổi giữa các topic clients
Trang 242.3.2.3 Các gói tin quan trọng trong MQTT
a) Định dạng của message
❖ Phần header cố định
Tất cả các message luôn chứa phần cố định theo bảng
Byte 1: Chứa loại Message và các cờ (DUP, QoS level, and RETAIN)
Byte 2: (Ít nhất 1 byte) quy định độ dài còn lạ
Một số 4-bit không dấu diễn tảcác giá trị được miêu tả dưới bảng sau:
➢ DUP: Cờ này được bật khi client hoặc server đang cố chuyển lại một gói
PUBLISH, PUBREL, SUBSCRIBE hoặc UNSUBSCRIBE Giá trị này được sử dụng trong các mesage mà có QoSS lớn hơn 0 và yêu cầu ACK Khi bit DUP được set, phần header thay đổi sẽ chứa Message ID Nhìn vào giá trị này sẽ biết được gói tin đã nhận được trước đó hay không Nó không nên sử dụng để tin ngay rằng có duplicates hay không
➢ QoS: Cờ này sẽ cho biết độ đảm bảo việc nhận message PUBLISH
Trang 25➢ RETAIN: Cờ này chỉ được sử dụng ở message PUBLISH Khi client gửi 1
message PUBLISH đến server, nếu cờ Retain được set (1), thì server phải hiểu rằng nên giữ message này ngay cả sau khi chuyển nó đến các subcribers hiện tại Khi có 1 subcription mới được thiết lập trên 1 topic, message cuối cùng của topic đó nên được gửi đến subscriber với 1 trường Retain được set trong header Nếu không có messsage nào còn, thì không cần gửi gì hết
❖ Độ dài còn lại
Miêu tả độ dài bao gồm cả phần header và payload có trong message Việc encoding với độ dài thay đổi sử dụng 1-byte để miêu tả độ dài, vì thế độ dài tối đa sẽ là 127
b) CONNECT - Client yêu cầu connect đến server
Khi một một kết nối TCP/IP được thiết lập từ client đến server, thì một session ở mức protocol cũng được tạo sử dụng luồng CONNECT Server sẽ gửi message CONNACK để trả lời message CONNECT từ client Nếu server không nhận được mesage CONNET từ client trong một khoang thời gian nào đó sau khi thiết lập kết nối TCP/IP, thì server nên đóng kết nối đó lại Nếu client không nhận được một message CONNACK từ server trong một khoảng thời gian nhất định, thì client cũng nên đóng kết nối đó lại, và restart session bằng một socket mới đến server rồi tiếp tục gửi yêu cầu kết nối bằng gói CONNECT Trong cả 2 trường hợp trên, thời gian chờ để nhận được message CONNECT hoặc CONNACK phụ thuộc vào ứng dụng và điều kiện kết nối Nếu một client kết nối bằng một Client ID đang được kết nối với Server rồi, thì client trước đó phải được disconnect bắt buộc bởi server trước khi thực hiện luồng CONNECT với client mới
Nếu client gửi một một message CONNECT không hợp lệ, server nên đóng kết nối luôn Không hợp ở đây bao gồm việc khác nhau về Protocol Name hoặc Protocol Version Numbers Nếu server đã parse message CONNECT rồi mới phát hiện ra có một trường nào đó không hợp lệ, nó nên gửi lại message CONNACK chứa nội dung mã có nội dung