Đồ án tốt nghiệp lần lượt thực hiện các nội dung: Sử dụng board ESP32-DevKitC làm mạch điều khiển trung tâm, điều khiển thiết bị trên ứng dụng Android và giao diện Web thông qua Internet, giám sát trạng thái hoạt động của thiết bị qua Web Server và lưu trữ trạng thái điều khiển của thiết bị... Mời các bạn cùng tham khảo.
Trang 1KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Trang 2KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
-
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN
GVHD: ThS Nguyễn Đình Phú SVTH: Nguyễn Tri Phương 14141238
Võ Duy Tâm 14141276
Tp Hồ Chí Minh – 7/2019
Trang 3Tp HCM, ngày 28 tháng 6 năm 2019
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Nguyễn Tri Phương MSSV: 14141238
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông Mã ngành: 141
Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1
1 Các số liệu ban đầu
- Nguyễn Đình Phú, Giáo trình Vi điều khiển, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp
Hồ Chí Minh
- Trần Thu Hà – Trương Thị Bích Ngà – Nguyễn Thị Lưỡng – Bùi Thị Tuyết Đan
– Phù Thị Ngọc Hiếu – Dương Thị Cẩm Tú, Giáo trình Điện tử cơ bản, Nhà
xuất bản ĐH Quốc gia Tp Hồ Chí Minh
- Nguyễn Đình Phú – Nguyễn Trường Duy, Giáo trình Kỹ thuật số, Nhà xuất bản
ĐH Quốc gia Tp Hồ Chí Minh
2 Nội dung thực hiện
- Điều khiển và giám sát thiết bị thông qua Internet
- Thiết kế giao diện ứng dụng, Web Server
- Thi công mạch và mô hình
- Cân chỉnh hệ thống
- Đánh giá kết quả thực hiện
TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
o0o
Trang 4- Báo cáo đề tài
III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/02/2019
IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2019
V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Đình Phú
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Trang 5Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện
Tuần/ngày Nội dung Xác nhận
Trang 6Tuần 16, 17
(3/6 – 16/6) Hoàn thiện báo cáo và mô hình
GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)
Trang 7LỜI CAM ĐOAN
Chúng tôi xin cam kết khóa luận tốt nghiệp này là đề tài do chính chúng tôi nghiên cứu và thực hiện Chúng tôi chỉ dựa trên mà không sao chép từ bất kì tài liệu hay công trình nào đã được thực hiện trước đó Nếu có bất kỳ vi phạm nào, chúng tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
Người thực hiện
Nguyễn Tri Phương
Võ Duy Tâm
Trang 8Cảm ơn cha mẹ đã tạo điều kiện tốt nhất, là động lực mạnh mẽ để con hoàn thành khóa luận này
Xin chân thành cảm ơn
Người thực hiện
Nguyễn Tri Phương
Võ Duy Tâm
Trang 9MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii
LỜI CAM ĐOAN v
LỜI CẢM ƠN vi
MỤC LỤC vii
LIỆT KÊ HÌNH xii
LIỆT KÊ BẢNG xv
TÓM TẮT xvi
Chương 1 TỔNG QUAN 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1
1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2
1.4 GIỚI HẠN 2
1.5 BỐ CỤC 3
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4
2.1 SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DÂN DỤNG 4
2.2 TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS 4
2.2.1 Giới thiệu 4
2.2.2 Lịch sử hình thành 6
2.2.3 Ứng dụng của IoT 6
2.3 CÔNG NGHỆ WIFI 10
2.3.1 Giới thiệu 10
2.3.2 Công nghệ truyền nhận dữ liệu 10
2.3.3 Thành phần của mạng Wifi 11
2.3.4 Cấu trúc liên kết 11
2.3.5 Hotspot 12
Trang 102.3.7 Giao tiếp trong Wifi 13
2.3.8 Ưu nhược điểm 14
2.3.9 Bảo mật 14
2.4 HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID 14
2.4.1 Giới thiệu 14
2.4.2 Lịch sử 15
2.4.3 Tính năng 15
2.4.4 Kiến trúc cơ bản 16
2.4.5 Thành phần của ứng dụng Android 17
2.4.6 Ưu nhược điểm 18
2.5 GIAO THỨC MQTT 19
2.5.1 Giới thiệu 19
2.5.2 Lịch sử 19
2.5.3 Thành phần của MQTT 20
2.5.4 MQTT QoS 21
2.5.5 Broker trong IoT 21
2.5.6 Ưu điểm 22
2.5.7 Bảo mật 22
2.6 GIỚI THIỆU NODE – RED 22
2.6.1 Giới thiệu 22
2.6.2 Node – RED và IoT 23
2.6.3 Tính năng 24
2.7 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 25
2.7.1 Giới thiệu chip Wifi ESP32 25
2.7.1.1 Tổng quan ESP32 25
2.7.1.2 Đặc điểm 27
Trang 112.7.1.4 Chức năng tích hợp trong ESP32 31
2.7.1.4.1 CPU và kiến trúc bộ nhớ 31
2.7.1.4.2 Timers và Watchdogs 32
2.7.1.4.3 Hệ thống xung đồng hồ (Clock) 33
2.7.1.4.4 Wifi 33
2.7.1.4.5 Bluetooth 34
2.7.1.4.6 RTC và quản lý năng lượng thấp 34
2.7.1.5 Thiết bị ngoại vi và cảm biến của ESP32 34
2.7.1.6 Đặc tính về điện 36
2.7.1.7 Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32 37
2.7.2 Giới thiệu cảm biến 38
2.7.2.1 Giới thiệu 38
2.7.2.2 Hoạt động 38
Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 41
3.1 GIỚI THIỆU 41
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 41
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 41
3.2.2 Tính toán và thiết kế 43
3.2.2.1 Khối xử lý trung tâm 43
3.2.2.2 Khối ngõ ra công suất 44
3.2.2.3 Khối cảm biến 47
3.2.2.4 Khối nguồn 49
3.2.2.5 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 51
Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 52
4.1 GIỚI THIỆU 52
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 52
Trang 124.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 56
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 56
4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 56
4.3.2 Thi công mô hình 57
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 57
4.4.1 Lưu đồ giải thuật 57
4.4.1.1 Lưu đồ giải thuật mạch điều khiển 57
4.4.1.2 Lưu đồ giải thuật Web Server 59
4.4.2 Phần mềm lập trình vi điều khiển 61
4.4.2.1 Giới thiệu 61
4.4.2.2 Chương trình điều khiển 65
4.4.3 Web Server 65
4.4.4 Ứng dụng Android 71
4.5 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 74
4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 74
4.5.2 Quy trình thao tác 74
Chương 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 76
5.1 GIỚI THIỆU 76
5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 76
5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 76
5.3.1 Mô hình 76
5.3.2 Điều khiển và giám sát thiết bị, cảm biến qua Web Server 77
5.3.3 Điều khiển và giám sát thiết bị, cảm biến qua ứng dụng Android 79
5.4 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 80
5.4.1 Nhận xét 80
5.4.2 Đánh giá 80
Trang 136.1 KẾT LUẬN 82
6.1.1 Ưu điểm 82
6.1.2 Khuyết điểm 82
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO 83
PHỤ LỤC 84
Trang 14LIỆT KÊ HÌNH
Hình 2.1 Internet of things 5
Hình 2.2 Ứng dụng của IoT 6
Hình 2.3 Smart Home 7
Hình 2.4 IoT trong giao thông vận tải 7
Hình 2.5 IoT trong y tế 8
Hình 2.6 IoT trong nông nghiệp 9
Hình 2.7 Smart City 9
Hình 2.8 Biểu tượng Wifi 10
Hình 2.9 Cấu trúc liên kết ngang hàng 11
Hình 2.10 Cấu trúc liên kết dựa trên AP 12
Hình 2.11 Cách thức hoạt động của mạng Wifi 13
Hình 2.12 Cách thức giao tiếp trong mạng Wifi 13
Hình 2.13 Biểu tượng Android 15
Hình 2.14 Một số ứng dụng Android 18
Hình 2.15 Giao thức MQTT 19
Hình 2.16 Hoạt động của client 20
Hình 2.17 Hoạt động của Topic 20
Hình 2.18 Thành phần của một MQTT trong hệ thống IoT 21
Hình 2.19 Một Node - RED cơ bản 23
Hình 2.20 Node – RED và IoT 24
Hình 2.21 Giao diện Node – RED 24
Hình 2.22 Module ESP32-WOOM-32 26
Hình 2.23 Kiến trúc của ESP32 26
Hình 2.24 Sơ đồ bố trí chân của module ESP32-WOOM-32 31
Hình 2.25 Cấu trúc và địa chỉ bộ nhớ của ESP32 32
Hình 2.26 Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32 37
Hình 2.27 Sơ đồ nguyên lý thiết bị ngoại vi module ESP32-WOOM-32 38
Hình 2.28 Sơ đồ chân DHT11 38
Hình 2.29 Xung bắt đầu DHT11 39
Hình 2.30 Gửi xung phản hồi của DHT11 39
Hình 2.31 Gửi dữ liệu chứa bit 0, bit 1 40
Trang 15Hình 3.1 Sơ đồ mô hình hệ thống 41
Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống 42
Hình 3.3 Ảnh thực tế board ESP32-DevKitC 43
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý board điều khiển ESP32-DevKitC 44
Hình 3.5 Relay 5V-10A 45
Hình 3.6 Diode 1N4007, Opto PC817 và transistor C1815 46
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối công suất ngõ ra 47
Hình 3.8 Cảm biến DHT11 48
Hình 3.9 Sơ đồ kết nối cảm biến DHT11 với ESP32 48
Hình 3.10 Module nguồn AC-DC 49
Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 50
Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 51
Hình 4.1 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch điều khiển 53
Hình 4.2 Sơ đồ đi dây mạch in lớp trên 53
Hình 4.3 Sơ đồ đi dây mạch in lớp dưới 54
Hình 4.4 Sơ đồ 3D mạch điều khiển 54
Hình 4.5 Mạch điều khiển sau khi lắp linh kiện 56
Hình 4.6 Ảnh hộp dựng mạch điều khiển 56
Hình 4.7 Mô hình mặt trong và mặt ngoài hệ thống 57
Hình 4.8 Lưu đồ điều khiển thiết bị 58
Hình 4.9 Lưu đồ Web Server 60
Hình 4.10 Biểu tượng VSCode 61
Hình 4.11 Giao diện trang Web tải VSCode 62
Hình 4.12 Giao diện khởi động VSCode 63
Hình 4.13 Cài đặt PlatformIO IDE 63
Hình 4.14 Tạo dự án lập trình cho board ESP32-DevKitC 64
Hình 4.15 Giao diện lập trình 64
Hình 4.16 Đăng ký tài khoản Cloud MQTT 65
Hình 4.17 Tạo một dự án mới trong Cloud MQTT 66
Hình 4.18 Thông tin cần thiết cho dự án trong Cloud MQTT 66
Hình 4.19 Một số dự án sau khi tạo 66
Trang 16Hình 4.21 Nơi giám sát và điều khiển dữ liệu 67
Hình 4.22 Khởi động Node – RED 68
Hình 4.23 Màn hình giao diện thiết kế Web 69
Hình 4.24 Tạo kết nối với Server 69
Hình 4.25 Cấu hình địa chỉ kết nối 69
Hình 4.26 Một nút điều khiển cơ bản 70
Hình 4.27 Cấu hình cho một nút 70
Hình 4.28 Tiến hành deploy giao diện 71
Hình 4.29 Giao diện nút điều khiển 71
Hình 4.30 Ứng dụng MQTT Dashboard 71
Hình 4.31 Bảng thuộc tính MQTT Dashboard 72
Hình 4.32 Tạo một Broker 73
Hình 4.33 Thiết kế và chỉnh sửa giao diện ứng dụng 73
Hình 4.34 Quy trình thao tác 74
Hình 5.1 Mô hình hệ thống khi được cấp nguồn 220VAC 76
Hình 5.2 Các thiết bị khi chưa được bật trên màn hình điều khiển 77
Hình 5.3 Các thiết bị được bật trên màn hình điều khiển 77
Hình 5.4 Nhiệt độ và độ ẩm bộ điều khiển hiển thị trên giao diện Web 78
Hình 5.5 Trạng thái thiết bị được giám sát trên Cloud MQTT 78
Hình 5.6 Giao diện ứng dụng Android khi các thiết bị tắt, bật và giá trị cảm biến 79 Hình 5.7 Mô hình khi bật các thiết bị 79
Trang 17LIỆT KÊ BẢNG
Bảng 2.1: Thống kê các thiết bị điện trong phòng học và công suất tiêu thụ 4
Bảng 2.2: Các phiên bản module của ESP32 25
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật cơ bản của module ESP32-WOOM-32 27
Bảng 2.4: Định nghĩa các chân module ESP32-WOOM-32 28
Bảng 2.5: Các thông số đề nghị cho module ESP32-WOOM-32 36
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật Relay 45
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật module cảm biến DHT11 48
Bảng 3.3: Dòng điện của các linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển 49
Bảng 4.1: Danh sách linh kiện sử dụng 55
Bảng 4.2: Thông tin server MQTT 67
Bảng 5.1: Số liệu thực nghiệm 80
Trang 18TÓM TẮT
Công nghệ đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại IoT, hiện đã và đang phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, nó đơn giản là một hệ thống bao gồm tất cả mọi thứ xung quanh chúng ta được kết nối với nhau thông qua Internet Xu hướng này làm cho mọi thứ trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết, khi mà sự tương tác giữa con người và thiết bị được tối ưu hóa nhất có thể Điều khiển, giám sát thiết bị từ xa là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của xu hướng này Với mục đích tiếp cận xu hướng trên và mong muốn nắm bắt những công nghệ
mới nên nhóm chúng tôi quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công mô hình
điều khiển thiết bị điện” Đề tài này sẽ là một hệ thống hoàn thiện bao gồm phần
cứng phần mềm, và có thể đáp ứng được cho các phòng học, phòng thí nghiệm, hộ gia đình, …
Nội dung chính của đề tài
• Sử dụng board ESP32-DevKitC làm mạch điều khiển trung tâm
• Điều khiển thiết bị trên ứng dụng Android và giao diện Web thông qua Internet
• Giám sát trạng thái hoạt động của thiết bị qua Web Server
• Lưu trữ trạng thái điều khiển của thiết bị
Trang 19Chương 1 TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Xã hội ngày càng phát triển không ngừng, công nghệ ngày càng hiện đại để đáp ứng nhu cầu càng cao của con người Chính vì thế công nghệ bây giờ đang gần gũi với cuộc sống hằng ngày hơn bao giờ hết, chúng ta đang ở trong thời đại mà sự bùng phát kỹ thuật tiên tiến và các ứng dụng của nó rất mạnh mẽ Dưới bóng của nó là các công nghệ được tích hợp trong rất nhiều lĩnh vực như ôtô, tàu điện ngầm, các lĩnh vực y tế, giáo dục và cả trong nhà ở,
Trong những năm trở lại đây, kỹ thuật truyền và nhận dữ liệu không dây có những bước phát triển vượt bậc nhằm thay thế các hệ thống dây dẫn phức tạp còn nhiều hạn chế, không đáp ứng được cho việc truyền dẫn đến những khu vực xa xôi
Sự ra đời và phát triển của công nghệ này đã góp phần làm cho các hệ thống điều khiển thông minh, giám sát từ xa trở nên dễ dàng hơn Hiện nay, có nhiều công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây như RF, NFC, Bluetooth, Wifi, Trong đó Wifi là một trong số công nghệ phổ biến, được sử dụng rộng rãi nhất
Để có thể tiếp cận và nắm bắt được xu thế đó, nhóm chúng tôi quyết định thực
hiện đề tài “Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện”
Như ý nghĩa của tên đề tài, chúng tôi mong muốn có thể nắm bắt xu hướng công nghệ điều khiển thông minh hiện nay và qua đó chúng tôi hi vọng đề tài này sẽ ứng dụng được cho các phòng học, phòng thực hành, các cơ quan làm việc chưa có hệ thống điều khiển thích hợp, nhằm mục đích sử dụng hiệu quả các thiết bị điện cũng như mang lại sự tiện lợi, an toàn cho người dùng
1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Đề tài được nhóm nghiên cứu và thực hiện dựa trên những kiến thức đã học và tìm hiểu Nhóm sẽ thiết kế và thi công hệ thống điều khiển các thiết bị điện trong phòng học qua ứng dụng Android trên điện thoại, đồng thời điều khiển và giám sát được trạng thái của thiết bị từ xa qua Web
Cụ thể hệ thống được tích hợp module ESP32 điều khiển thông qua Wifi và tất
cả dữ liệu được lưu trữ trên một Web Server
Trang 20Qua khảo sát thực tế tại một số phòng học tại trường, nhóm sẽ thiết kế hệ thống điều khiển cho một phòng học có 12 thiết bị bao gồm 4 đèn, 4 quạt, 3 loa và 1 tivi
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Hệ thống điều khiển được 4 thiết bị điện 220VAC cho mỗi module
Giao tiếp giữa ESP32, đồng bộ điều khiển thiết bị với ứng dụng Android và với Web Server
Giám sát được nhiệt độ và độ ẩm của bộ điều khiển
Trang 211.5 BỐ CỤC
• Chương 1: Tổng Quan
Trình bày tổng quan về lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án
• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Giới thiệu các lý thuyết liên quan, các linh kiện, thiết bị sử dụng và cách thức giao tiếp với nhau
• Chương 3: Thiết Kế Và Tính Toán
Thiết kế hệ thống, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý chức năng từng khối và thực hiện tính toán
• Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Thi công board mạch, thiết kế lưu đồ, giải thuật, chương trình Thi công mô hình hoàn chỉnh
• Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét Và Đánh Giá
Trình bày những kết quả đạt được sau thời gian thực hiện, một số hình ảnh từ
hệ thống Đồng thời đưa ra nhận xét, đánh giá cho toàn bộ hệ thống
• Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển
Đưa ra những kết luận sau khi hoàn thiện sản phẩm, các hướng phát triển nâng cấp hệ thống trong tương lai
Trang 22Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DÂN DỤNG
Vấn đề sử dụng các thiết bị điện một cách hiệu quả và an toàn được đặt lên hàng đầu đối với người sử dụng Không chỉ ở những công trình, tòa nhà, hộ gia đình, mà ngay cả văn phòng làm việc, phòng học thì việc tiết kiệm điện là hết sức cần thiết Dưới đây là bảng thống kê cho thấy các thiết bị điện chủ yếu được sử dụng trong một phòng học và công suất của từng thiết bị
Bảng 2.1: Thống kê các thiết bị điện trong phòng học và công suất tiêu thụ
STT Tên thiết bị điện Công suất tiêu thụ
2.2 TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS
Trang 23Về cơ bản, IoT là một hệ thống mạng lưới mà trong đó tất cả các thiết bị, đối tượng được kết nối Internet thông qua thiết bị mạng (network devices) hoặc các bộ định tuyến (routers) IoT cho phép các đối tượng được điều khiển từ xa dựa trên hệ thống mạng hiện tại Công nghệ tiên tiến này giúp giảm công sức vận hành của con người bằng cách tự động hóa việc điều khiển các thiết bị
Hình 2.1 Internet of things Các thành phần chính trong một hệ thống IoT:
Trang 242.2.2 Lịch sử hình thành
Khái niệm về một mạng lưới thiết bị được kết nối với nhau đã được thảo luận vào đầu năm 1982, với một máy bán hàng tự động Coke được thực hiện ở Đại học Carnegie Mellon trở thành thiết bị kết nối Internet đầu tiên trên thế giới
Thuật ngữ “Internet of things” được sử dụng lần đầu tiên bởi Kevin Ashton vào năm 1999 Sau đó IoT trải qua nhiều giai đoạn và có bước phát triển nhảy vọt cho đến ngày nay
2.2.3 Ứng dụng của IoT
Hình 2.2 Ứng dụng của IoT
• Nhà thông minh (Smart Home)
Đây là một trong những ứng dụng được quan tâm nhiều nhất trong những năm gần đây Một ngôi nhà thông minh hoàn toàn có thể được giám sát và điều khiển tự động Bạn có thể bật tắt đèn bằng một ứng dụng trên điện thoại, nếu lỡ quên tắt tivi khi ra khỏi nhà bạn hoàn toàn có thể tắt nó ở một nơi có kết nối Internet, hoặc điều hòa sẽ tự động điều chỉnh tăng hay giảm khi nhiệt độ bên ngoài thay đổi Và còn vô
số ứng dụng khác nhằm mang lại sự tiện lợi nhất cho người dùng
Hiện nay các chủ đầu tư xây dựng chung cư cũng đã tiếp cận với công nghệ này
do nhu cầu sở hữu căn hộ thông minh của người dùng ngày càng cao
Trang 25Hình 2.3 Smart Home
• Giao thông vận tải
An toàn là điều đầu tiên khi nghĩ đến tác động của IoT đối với giao thông vận tải Ý tưởng đưa ra là các phương tiện có khả năng liên lạc với nhau bằng cách sử dụng dữ liệu đã được phân tích để có thể giảm đáng kể các sự cố tai nạn xảy ra khi tham gia giao thông Sử dụng cảm biến, các phương tiện như ô tô, xe buýt được cảnh báo nguy cơ tiềm ẩn trên đường, hoặc thậm chí là tình trạng ùn tắt giao thông ở một
số tuyến đường
Dịch vụ vận chuyển hàng hóa cũng được ứng dụng từ công nghệ này Công nghệ quản lý lịch trình vận chuyển, tối ưu hóa các tuyến giao hàng, mức tiêu thụ nhiên liệu của phương tiện, giám sát tốc độ của tài xế giao hàng tuân thủ quy định an toàn nhằm mang lại những lợi ích về kinh tế và sự hài lòng của khách hàng
Hình 2.4 IoT trong giao thông vận tải
Trang 26Hình 2.5 IoT trong y tế
• Nông nghiệp (Smart Farming)
Mô hình nhà kín là một trong những ứng dụng điển hình của công nghệ IoT được áp dụng trong lĩnh vực nông nghiệp Và ở nước ta đã được áp dụng rộng rãi Bên trong hệ thống này cây trồng hoàn toàn cách ly với điều kiện thời tiết bên ngoài, việc điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng đều tự động hóa Đồng thời theo dõi được tình trạng phát triển của cây trồng, xác định thời gian thu hoạch, giảm thiểu tối đa công suất người lao động
Trang 27Hình 2.6 IoT trong nông nghiệp
• Thành phố thông minh (Smart City)
Có thể xem đây là tập hợp của tất cả ứng dụng của IoT vào một hệ thống lớn Một giải pháp đã và đang được nhiều quốc gia trên thế giới áp dụng ở các thành phố lớn nhằm giải quyết những vấn đề cấp bách như tình trạng kẹt xe, gia tăng dân số, ô nhiễm môi trường, ngập lụt, …
Mọi thứ trong thành phố thông minh này được kết nối, dữ liệu sẽ được giám sát bởi một loạt các máy tính mà không cần bất kỳ sự tương tác nào của con người
Hình 2.7 Smart City
Trang 282.3 CÔNG NGHỆ WIFI
2.3.1 Giới thiệu
Wifi là một mạng thay thế cho mạng có dây thông thường, thường được sử dụng
để kết nối các thiết bị ở chế độ không dây bằng việc sử dụng công nghệ sóng vô tuyến
Dữ liệu được truyền qua sóng vô tuyến cho phép các thiết bị truyền nhận dữ liệu ở tốc độ cao trong phạm vi của mạng Wifi Kết nối các máy tính với nhau, với Internet
Hình 2.8 Biểu tượng Wifi
2.3.2 Công nghệ truyền nhận dữ liệu
• IEEE 802.11b
Xuất hiện năm 1999
Sóng vô tuyến với tần số 2.4GHz
Giới thiệu năm 2001
Sóng vô tuyến với tần số 5.0GHz
Tốc độ 54Mbps (lý thuyết), 15 – 20Mbps (thực tế)
Có khả năng mở rộng
Không tương thích với chuẩn 802.11b
Trang 29• IEEE 802.11g
Giới thiệu năm 2003
Sóng vô tuyến với tần số 2.4GHz
Kết hợp tính năng của hai tiêu chuẩn a và b
Tốc độ 54Mbps
Tương thích với chuẩn 802.11b
2.3.3 Thành phần của mạng Wifi
• Access Point (AP)
AP là bộ thu phát không dây LAN (Local – Area Network), hoặc là trạm cơ sở
có thể kết nối đồng thời một hoặc nhiều thiết bị không dây với Internet
Phù hợp để thiết lập mạng không dây một cách nhanh chóng và dễ dàng
Hình 2.9 Cấu trúc liên kết ngang hàng
Trang 30Hình 2.10 Cấu trúc liên kết dựa trên AP
2.3.5 Hotspot
Hotspot là một khu vực dễ dàng truy cập mạng không dây
Hotspot được trang bị kết nối Internet với băng thông rộng và có một hoặc nhiều
AP cho phép người dùng truy cập Internet không dây
2.3.6 Cách thức hoạt động
Một Wifi Hotspot được tạo ra bằng cách cài đặt điểm truy cập vào kết nối Internet
Một điểm truy cập hoạt động như một trạm cơ sở
Khi thiết bị hổ trợ Wifi bắt gặp điểm phát sóng, thiết bị có thể kết nối không dây với mạng đó
Một điểm truy cập duy nhất có thể hổ trợ tối đa đến 30 người dùng, nhiều điểm truy cập có thể được kết nối với nhau thông qua cáp Ethernet để tạo ra một mạng lớn
Trang 31Hình 2.11 Cách thức hoạt động của mạng Wifi
2.3.7 Giao tiếp trong Wifi
Trao đổi dữ liệu trong Wifi được chia làm 3 giai đoạn:
• Giai đoạn 1
Dữ liệu được chuẩn bị để truyền, nó được mã hóa thay đổi thành tín hiệu số Tại đây tần số truyền dữ liệu cũng được lựa chọn tùy thuộc vào kỹ thuật sử dụng để gửi tín hiệu không dây
Trang 322.3.8 Ưu nhược điểm
2.4 HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID
2.4.1 Giới thiệu
Hệ điều hành (operating system OS) đã phát triển trong nhiều năm qua Từ Pahm OS năm 1996, đến Windows năm 2000 sau đó là Blackberry OS và Android Một trong những hệ điều hành di động được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là Android, tạo ra đầu tiên vào năm 2003 và được Google mua lại năm 2005 Là một hệ điều hành mạnh mẽ hổ trợ số lượng lớn các ứng dụng trên điện thoại thông minh Đi kèm với một cửa hàng phần mềm trực tuyến do Google phát triển cho phép người dùng tải xuống các ứng dụng được phát hành bởi nhà phát triển
Là một hệ điều hành nguồn mở dựa trên Linux cho các thiết bị di động như điện thoại thông minh, máy tính bảng Các ứng dụng Android được viết bằng ngôn ngữ lập trình Java Android cung cấp một cách thống nhất để phát triển ứng dụng, có nghĩa
là các nhà phát triển chỉ cần phát triển ứng dụng Android và nó có thể chạy trên các thiết bị khác nhau được cung cấp bởi Android Để phát triển phần mềm, nhà phát hành cung cấp bộ phát triển phần mềm đó là Android SDK (Software Development Kit)
Trang 33Phiên bản Beta đầu tiên của bộ công cụ phát triển phần mềm Android SDK được Google phát hành năm 2007 và Android 1.0 ra đời năm 2008
Hình 2.13 Biểu tượng Android
2.4.2 Lịch sử
Từ khi phát hành cho đến nay, Android đã trải qua nhiều phiên bản khác nhau,
có nhiều sự thay đổi, cải tiến để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng
Các phiên bản Android: Cupcake (1.5), Donut (1.6), Eclair (2.0), Froyo (2.2), Gingerbread (2.3), Honeycomb (3.0), Ice Cream Sandwich (4.0) Jelly Bean (4.1 – 4.3.1), KitKat (4.4 – 4.4.4), Lollipop (5.0 – 5.1.1), Marshmallow (6.0 – 6.0.1), Nougat (7.0 – 7.1), Oreo (8.0 – 8.1), Pie (9.0) và phiên bản mới nhất là Q (10.0)
2.4.3 Tính năng
Giao diện người dùng đẹp, trực quan
Kết nối Bluetooth, Wifi, LTE, NFC, …
Hổ trợ truyền thông: MP3, WAV, JPEG, PNG, GIF, …
Trình duyệt Web: dựa trên công cụ WebKit nguồn mở kết hợp JavaScript V8 Cảm ứng đa điểm
Trang 342.4.4 Kiến trúc cơ bản
• Linux Kernel
Đây là nền tảng mà hệ điều hành Android dựa vào nó để phát triển Là lớp dưới cùng của các lớp, chứa tất cả các thiết bị giao tiếp ở cấp thấp dùng để điều khiển các phần cứng khác trên thiết bị Android Ngoài ra nó còn xử lý tác vụ khác như kết nối mạng, giúp giảm can thiệp vào phần cứng
• Libraries
Thư viện nơi chứa tất cả các mã nguồn cung cấp những tính năng chính của hệ điều hành Android dựa trên thư viện Java dành riêng để phát triển Android Một số thư viện như:
- android.app: cung cấp quyền truy cập vào mô hình ứng dụng, là nền tảng của tất cả ứng dụng Android
- android.database: được sử dụng để truy cập dữ liệu
- android.opengl: giao diện OpenGL, 3D
- android.view: xây dựng các khối cơ bản trên giao diện người dùng
- android.widget: tập hợp tất cả thành phần giao diện cơ bản được xây dựng sẵn như nút nhấn, công tắc,…
- android.webkit: cho phép khả năng duyệt Web được tích hợp vào các ứng dụng
- Quản lý hoạt động: kiểm soát tất cả các hoạt động của ứng dụng
- Cung cấp nội dung: cho phép ứng dụng chia sẽ dữ liệu với các ứng dụng khác
Trang 35- Quản lý tài nguyên: cung cấp quyền truy cập vào các tài nguyên như cài đặt màu, bố cục giao diện người dùng
- Quản lý thông báo: cho phép các ứng dụng hiển thị cảnh báo và thông báo cho người dùng
• Dịch vụ (Services)
Là hành động chạy song song các ứng dụng Ví dụ một dịch vụ có thể phát nhạc trong khi người dùng đang ở trong một ứng dụng khác, không chặn tương tác của người dùng với hoạt động đó
• Máy thu phát sóng (Broadcast Receivers)
Bộ thu phát sóng có nhiệm vụ trả lời tin nhắn từ các ứng dụng khác hoặc từ hệ thống Ví dụ các ứng dụng có thể phát sóng để cho hệ thống biết dữ liệu đã được tải xuống thiết bị hay chưa
• Các nhà cung cấp nội dung (Content Providers)
Cung cấp dữ liệu từ ứng dụng này sang ứng dụng khác theo yêu cầu, dữ liệu có thể được lưu trữ trong hệ thống hoặc cơ sở dữ liệu hoặc ở một nơi khác
Trang 36Tính đa nhiệm, người dùng có thể trải nghiệm nhiều tác vụ song song
Cập nhật các phiên bản mới liên tục
Số lượng thiết bị sử dụng được hệ điều hành Android rất lớn
Thuộc sở hữu của Google, cung cấp sự tin tưởng cho người sử dụng
Được bảo mật tốt
• Nhược điểm
Các thiết bị tiêu tốn nhiều năng lượng hơn khi sử dụng hệ điều hành này do chạy song song nhiều chương trình nền
Nhiều ứng dụng chứa virus và phần mềm độc hại
Thông tin người dùng có thể bị đánh cắp bởi một vài ứng dụng giả mạo
Trang 382.5.3 Thành phần của MQTT
• Client (Publisher, Subscriber)
Client (khách hàng) đăng ký một chủ đề để gửi và nhận message:
- Khi một client muốn gửi dữ liệu cho Broker: đây là hoạt động Publisher
- Khi một client muốn nhận dữ liệu từ Broker: đây là hoạt động Subscriber
Vì vậy Publisher và Subscriber đóng vai trò đặc biệt của client
Hình 2.16 Hoạt động của client
• Server (Broker)
Server trong MQTT gọi là một Broker được xem là trung tâm, là điểm giao của các kết nối đến từ client Nhiệm vụ chính của Broker là nhận đăng ký từ các client về các chủ đề (topic), nhận tin nhắn (message), sắp xếp các message theo hàng đợi rồi chuyển chúng đến một địa chỉ dựa trên việc đăng ký của client Nhiệm vụ phụ của Broker là có thể đảm nhận thêm một vài tính năng liên quan đến truyền thông như: bảo mật message, lưu trữ message
• Topic
Là nơi mà một client muốn đặt hoặc truy xuất message Cụ thể khi một message
được publish vào một Topic thì những subscriber của Topic đó sẽ nhận được message này
Hình 2.17 Hoạt động của Topic
• Message
Là đơn vị trao đổi dữ liệu mà thiết bị nhận được khi Subscribing (đăng ký) một Topic hoặc gửi đi khi Publishing một Topic
Trang 392.5.5 Broker trong IoT
Một trong những thành phần của hệ thống IoT là Platform (điện toán đám mây),
nó chịu trách nhiệm kết nối các thiết bị với nhau, cho phép người dùng kiểm soát và giám sát các thiết bị của mình Và Broker cũng chính là Platform, nó nằm trong hệ thống IoT
Có hai cách tạo ra một Broker:
• Tự tạo Broker MQTT trên máy tính, raspberry, server, …
• Sử dụng các dịch vụ MQTT Broker có sẳn như CloudMQTT
Hình 2.18 Thành phần của một MQTT trong hệ thống IoT
Trang 402.5.6 Ưu điểm
Đây là một giao thức nhẹ Do đó, dễ dàng thực hiện trong phần mềm và nhanh chóng trong việc truyền nhận dữ liệu, ít bị ảnh hưởng bởi tốc độ mạng
Giao thức dựa trên kỹ thuật tin nhắn, vì vậy tốc độ khá nhanh
Gói dữ liệu truyền được tối ưu hóa
Sử dụng nguồn điện năng thấp, tiếp kiệm năng lượng cho thiết bị được kết nối Thời gian thực, đây là điều đặc biệt quan trọng trong các dự án IoT
2.5.7 Bảo mật
MQTT được thiết kế một cách nhẹ và linh hoạt nhất có thể Do đó nó chỉ có một lớp bảo mật ở tầng ứng dụng: bảo mật xác thực (xác thực các client được quyền truy cập đến Broker) Tuy nhiên, MQTT vẫn có thể được cài đặt kết hợp với các giải pháp bảo mật đa tầng khác như kết hợp với VNP ở tầng mạng học hoặc SSLL/TLS ở tầng transport
MQTT được thiết kế nhằm phục vụ truyền thông machine-to-machine nhưng trên thực tế chứng minh nó lại hoạt động một cách linh hoạt hơn mong đợi Nó hoàn toàn có thể áp dụng cho các kịch bản truyền thông khác nhau: machine to machine, app to app Chỉ cần có một Broker phù hợp và MQTT Client được cài đặt đúng cách, các thiết bị xây dựng trên nhiều nền tảng khác nhau có thể giao tiếp được với nhau một cách dễ dàng
2.6 GIỚI THIỆU NODE – RED
2.6.1 Giới thiệu
Node – RED là một công cụ lập trình mạnh mẽ kết nối các thiết bị phần cứng, API (Application Programming Interface) và dịch vụ trực tuyến như một phần của ứng dụng IoT
Cung cấp một trình soạn thảo trực quan cho phép nhà phát triển có thể cấu hình tùy chỉnh các chức năng bằng cách sử dụng các node (nút) từ bất kỳ trình duyệt nào trên máy tính
Mỗi ứng dụng Node – RED bao gồm các node được liên kết với nhau dưới dạng input, output và operation