Trong đề tài “ Xây dựng hệ thống IoT điều khiển thiết bị từ xa có khả năng tuỳ chỉnh theo yêu cầu người dùng” với nhiệm vụ nghiên cứu, xây dựng một mô hình thực tế từ phần cứng đến phần mềm phục vụ cho người sử dụng. Đề tài được chia thành 3 chương với nội dung như sau: Chương 1: Cơ sở lý thuyết xây dựng một hệ thống IoT : chương này đề sẽ tìm hiểu lý thuyết cơ bản về trong một IoT, các công nghệ không dây được sử dụng. Chương 2: Phân tích, xây dựng hệ thống IoT điều khiển từ xa có khả năng tuỳ chỉnh theo yêu cầu của người dùng : Sau khi tìm hiểu lý thuyết chương 1, chương này sẽ đi vào xây dựng bài toán xây dựng hệ thống IoT điều khiển thiết bị trong thực tế, vẽ mạch phần cứng và xây dựng chức năng phần mềm. Chương 3: Mô phỏng, viết ứng dụng android , đánh giá hệ thống : chương này sẽ mô phỏng hệ thống IoT trên phần mềm Packet Tracer, đánh giá tính ứng dụng của hệ thống, sau đó sẽ đi vào lập trình trên mạch phần cứng thật và viết phần mềm tuỳ chỉnh trên nền tảng hệ điều hành Android.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
THEO YÊU CẦU NGƯỜI SỬ DỤNG
Sinh viên thực hiện:
Giảng viên hướng dẫn:
Cán bộ phản biện:
Trang 2Hà Nội, 12-2019
Trang 3TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
THEO YÊU CẦU NGƯỜI SỬ DỤNG
Sinh viên thực hiện:
Giảng viên hướng dẫn:
Cán bộ phản biện:
Trang 4Hà Nội, 12-2019
ĐÁNH GIÁ QUYỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dùng cho giảng viên hướng dẫn)
Tên giảng viên đánh giá:
Họ và tên sinh viên: MSSV:
Tên đồ án:
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
1
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả
thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng dụng
của đồ án
2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5
3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5
4 Có kết quả mô phỏng/thực nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
5 Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực
hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống 1 2 3 4 5
6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều
7
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết quả
đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề
xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai
Kỹ năng viết quyển đồ án (10)
Trang 5đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số thứ tự và
được giải thích hay đề cập đến; căn lề thống nhất, có dấu cách sau dấu
chấm, dấu phảy v.v.), có mở đầu chương và kết luận chương, có liệt kê
tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định
9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập
luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
1
0a
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/Đạt giải
SVNCKH giải 3 cấp Viện trở lên/Có giải thưởng khoa học (quốc tế hoặc
trong nước) từ giải 3 trở lên/Có đăng ký bằng phát minh, sáng chế
5
1
0b
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị SVNCKH nhưng
không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi
quốc gia và quốc tế khác về chuyên ngành (VD: TI contest)
2
1
Điểm tổng quy đổi về thang 10
Nhận xét khác (về thái độ và tinh thần làm việc của sinh viên)
Ngày: … / … / 20…
Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)
Trang 7ĐÁNH GIÁ QUYỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dùng cho cán bộ phản biện)
Giảng viên đánh giá:
Họ và tên sinh viên: MSSV:
Tên đồ án:
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
1
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả
thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng dụng
của đồ án
2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5
3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5
4 Có kết quả mô phỏng/thực nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
5 Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực
hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống 1 2 3 4 5
6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều
7
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết quả
đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề
xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai
Kỹ năng viết quyển đồ án (10)
8
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic và
đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số thứ tự và
được giải thích hay đề cập đến; căn lề thống nhất, có dấu cách sau dấu
chấm, dấu phảy v.v.), có mở đầu chương và kết luận chương, có liệt kê
tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định
9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập 1 2 3 4 5
Trang 8Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
1
0a
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/Đạt giải
SVNCKH giải 3 cấp Viện trở lên/Có giải thưởng khoa học (quốc tế hoặc
trong nước) từ giải 3 trở lên/Có đăng ký bằng phát minh, sáng chế
5
1
0b
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị SVNCKH nhưng
không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi
quốc gia và quốc tế khác về chuyên ngành (VD: TI contest)
Trang 9LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây với sự bùng nổ của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0đang diễn ra mạnh mẽ ở cả 3 lĩnh vực bao gồm công nghệ sinh học, kỹ thuật số và vật
lý Những yếu tố cốt lõi của Kỹ thuật số trong cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 sẽ là:Trí tuệ nhân tạo (AI), Vạn vật kết nối - Internet of Things (IoT) và dữ liệu lớn (BigData) Trên lĩnh vực công nghệ sinh học, Cách mạng Công nghiệp 4.0 tập trung vàonghiên cứu để tạo ra những bước nhảy vọt trong Nông nghiệp, Thủy sản, Y dược, chếbiến thực phẩm, bảo vệ môi trường, năng lượng tái tạo, hóa học và vật liệu Trên lĩnhvực Vật lý với robot thế hệ mới, máy in 3D, xe tự lái, các vật liệu mới (graphene,skyrmions…) và công nghệ nano
Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đem lại nhiều cơ hội để nâng cao chất lượng cuộcsống con người, giúp chúng ta làm việc, giải trí hiệu quả hơn, các nghành công nghiệpđược tự động hoá, ít sử dụng sức lao động con người hơn nhưng cũng đặt ra nhiều khókhan thách thức
Không năm ngoài xu hướng toàn cầu về cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 tôi cũngmuốn góp công sức mình vào nghiên cứu một lĩnh vực nào đó giúp ích cho cuộc sống.Tôi quyết định sẽ chọn đề tài nghiên cứu về lĩnh vực kỹ thuật số là ‘Internet of Things’
và đề tài được lựa chọn là “ Xây dựng hệ thống IoT điều khiển thiết bị từ xa có khả năng tuỳ chỉnh theo yêu cầu người sử dụng”.
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Nam đã hướng dẫn, giúp
đỡ, đưa ra nhiều đóng góp để tôi hoàn thành đồ án này Cảm ơn các quý thầy cô việnĐiện tử - Viễn thông đã mang lại những kiến thức bổ ích, quý giá trong suốt quá trìnhhọc và rèn luyện tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Trang 10LỜI CAM ĐOAN
Tôi là , mã số sinh viên , sinh viên lớp, khóa 58 Người hướng dẫn là TS Nguyễn
Anh Quang Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong đồ án “Xây dựng
hệ thống IoT điều khiển thiết bị từ xa có khả năng tuỳ chỉnh theo yêu cầu người sử dụng” là kết quả quá trình tìm hiểu và nghiên cứu của tôi Các dữ liệu được nêu trong
đồ án là hoàn toàn trung thực, phản ánh đúng kết quả đo đạc thực tế Mọi thông tintrích dẫn đều tuân thủ các quy định về sở hữu trí tuệ; các tài liệu tham khảo được liệt
kê rõ ràng Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong đồ
án này
Hà Nội ngày tháng năm
Người cam đoan
Trang 11MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i
DANH MỤC HÌNH VẼ ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU v
TÓM TẮT ĐỒ ÁN vi
CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MỘT HỆ THỐNG IOT 1
1.1 Internet Of Things và những vấn đề cơ bản 1
1.1.1 Internet of Things và xu thế toàn cầu 1
1.1.2 Những thách thức trong thời kì bùng nổ của Internet Of Things : 2
1.2 Thành phần trong một hệ thống IoT 2
1.2.1 Hệ thống điều khiển (Controller) : 4
1.2.2 Cảm biến (Sensor) 7
1.2.3 Bộ phận chấp hành (Actutor) 8
1.3 Công nghệ không dây phổ biến trong các hệ thống IoT 8
1.3.1 Bluetooth 9
1.3.2 Zigbee 10
1.3.3 Z-wave 10
1.3.4 WiFi 11
1.3.5 LoRa 11
1.4 Giao thức truyền thông MQTT 12
1.4.1 Publish và subscribe 13
1.4.2 QoS 13
1.4.3 Retain 14
CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH, XÂY DỰNG HỆ THỐNG IOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA CÓ KHẢ NĂNG TUỲ CHỈNH THEO YÊU CẦU CỦA NGƯỜI DÙNG 15
2.1 Bài toán 15
2.2 Mô hình hệ thống IoT điều khiển từ xa 16
2.3 Xây dựng thiết bị Node 17
Trang 122.3.2 Mạch nguyên lí : 18
2.3.3 Mô hình mạch 3D 19
2.3.4 Linh kiện và các thông số kỹ thuật : 20
2.3.5 Mô hình mạch thực tế : 26
CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG, VIẾT ỨNG DỤNG ANDROID , ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG27 3.1 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Packet Tracer 27
3.1.1 Giới thiệu phần mềm Packet Tracer : 27
3.1.2 Xây dựng mô hình hệ thống IoT trên Packet Tracer 28
3.1.3 Mô phỏng hệ thống IoT trên Packet Tracer 31
3.2 Lựa chọn MQTT Broker : 45
3.3 Lập trình cho Node MCU : 46
3.3.1 Giới thiệu Arduino IDE : 46
3.3.2 Lập trình cho bo mạch Node MCU 47
3.4 Viết ứng dụng Android 73
3.4.1 Thiết kế giao diện đăng nhập : 73
3.4.2 Thiết kế giao diện chính : 79
3.4.3 Thiết kế dialog : publish, subscribe, timer, automation 82
KẾT LUẬN 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO 89
Trang 14DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Trang 15DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Dự đoán phát triển của IoT trong năm 2020 2
Hình 1.2 Mô hình điều khiển nhà thông qua giao diện 3D 3
Hình 1.3 Bảng điều khiển Smarthome của BKAV 3
Hình 1.4 Tiến trình làm việc trong hệ thống IoT đơn giản 4
Hình 1.5 Bo mạch Arduino Uno 5
Hình 1.6 Máy tính nhúng Raspberry Pi 5
Hình 1.7 Mô hình hệ thống điều khiển vòng hở 5
Hình 1.8 Mô hình hệ thống điều khiển vòng kín 6
Hình 1.9 Cảm biến ánh sáng 8
Hình 1.10 Cảm biến khói, gas 8
Hình 1.11 Cảm biến độ ẩm đất 8
Hình 1.12 Máy bơm mini 8
Hình 1.13 Biểu đồ khoảng cách và khả năng truyền dữ liệu của các công nghệ không dây 9
Hình 1.14 Mô hình hoạt động MQTT Broker và MQTT Client 12
Hình 1.15 Mô hình thể hiện quá trình Subscribe 13
Hình 1.16 Mô hình thể hiện quá trình Publish 13
Hình 2.1 Mô hình hệ thống IoT điều khiển từ xa 16
Hình 2.2 Giao diện làm việc của Altium designer 18
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lí mạch nguồn 18
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lí khối thiết bị Relay 19
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lí khối điều khiển trung tâm và cảm biến 19
Hình 2.6 Sơ đồ đi dây mạch 20
Hình 2.7 Hình ảnh 3D của mạch trên Altium 20
Hình 2.8 Node MCU 1.0 21
Hình 2.9 Relay 22
Trang 16Hình 2.10 Nguồn hạ áp từ 220V AC về 5V DC 23
Hình 2.11 Cảm biến ánh sáng 24
Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lí cảm biến ánh sáng 24
Hình 2.13 Cảm biến DHT11 25
Hình 2.14 Ảnh mạch thực tế 26
Hình 3.1 Giao diện phần mềm Packet Tracer 28
Hình 3.2 Khối thiết bị IoT trong Packet Tracer 28
Hình 3.3 Mô hình kết thiết bị Node vào Home Gateway 29
Hình 3.4 Mô hình kết nối từ HomeGateway đến MQTT Broker 29
Hình 3.5 Hình Mô hình kết nối từ Smartphone đến ISP 30
Hình 3.6 Mô hình hệ thống IoT điều khiển từ xa hoàn chỉnh 30
Hình 3.7 Kiểm tra kết nối từ thiết bị di động đến MQTT Broker 31
Hình 3.8 Cài đặt MQTT Broker trên máy chủ 32
Hình 3.9 Ứng dụng có sẵn trong Server 32
Hình 3.10 Bật dịch vụ MQTT Broker, thêm tài khoản người dùng 33
Hình 3.11 Cài đặt MQTT Client trong SmartPhone trong Packet Tracer 33
Hình 3.12 Ứng dụng MQTT Client sau khi cài đặt xong 34
Hình 3.13 Đăng nhập vào MQTT Clien trên SmartPhone 34
Hình 3.14 Giao diện Publish và Subscribe trên MQTT Client 35
Hình 3.15 Tạo code mẫu mặc định MQTT Client trên SBC Board 36
Hình 3.16 Lập trình cho SBC Board trong Packet Tracer 36
Hình 3.17 Đăng nhập vào MQTT Clien từ SBC Board 41
Hình 3.18 Mô phỏng publish thông tin lên một kênh trong Packet Tracer 42
Hình 3.19 Bản tin nhận được từ một topic trên Packet Tracer 42
Hình 3.20 Kết quả mô phỏng bật tắt đèn từ xa trên Packet Tracer 43
Hình 3.21 Bản tin nhận được trong quá trình mô phỏng 43
Hình 3.22 Kết quả của mô phỏng tương tác giữa các thiết bị trong hệ thống IoT 44
Hình 3.23 Bản tin nhận được trong quá trình mô phỏng 44
Trang 17Hình 3.25 Giao diện Arduino IDE 46
Hình 3.26 Thêm đường dẫn hỗ trợ ESP8266 trong Arduino IDE 47
Hình 3.27 Cài đặt thêm gói hỗ trợ Bo mạch ESP8266 47
Hình 3.28 Hình ảnh sau khi chạy Smart Config từ Node MCU 50
Hình 3.29 Hình ảnh giao diện ứng dụng di động sau khi hoàn tất smart config 50
Hình 3.30 Giao diện đăng nhập ứng dụng Android 74
Hình 3.31 Giao diện màn hình chinh Android 79
Hình 3.32 Giao diện màn hình chính sau khi thêm thiết bị 80
Hình 3.33 Dialog hẹn giờ 82
Hình 3.34 Dialog tự động 82
Hình 3.35 Dialog Publish 82
Hình 3.36 Dialog Subscribe 82
Hình 3.37 Kiểm tra gửi thông tin từ ứng dụng Android xuống thiết bị Node 87
Trang 18DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Bảng thông số kỹ thuật của mạch 19
Trang 19Chương 1: Cơ sở lý thuyết xây dựng một hệ thống IoT : chương này đề sẽ tìm
hiểu lý thuyết cơ bản về trong một IoT, các công nghệ không dây được sử dụng
Chương 2: Phân tích, xây dựng hệ thống IoT điều khiển từ xa có khả năng tuỳ
chỉnh theo yêu cầu của người dùng : Sau khi tìm hiểu lý thuyết chương 1, chương này
sẽ đi vào xây dựng bài toán xây dựng hệ thống IoT điều khiển thiết bị trong thực tế, vẽmạch phần cứng và xây dựng chức năng phần mềm
Chương 3: Mô phỏng, viết ứng dụng android , đánh giá hệ thống : chương này sẽ
mô phỏng hệ thống IoT trên phần mềm Packet Tracer, đánh giá tính ứng dụng của hệthống, sau đó sẽ đi vào lập trình trên mạch phần cứng thật và viết phần mềm tuỳ chỉnhtrên nền tảng hệ điều hành Android
Trang 20CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MỘT HỆ
THỐNG IOT
Chương này trình bày tổng quan về một hệ thống IoT gồm các thành phần, chứcnăng Tìm hiểu về các công nghệ không dây, giao thức để có thể xây dựng một hệthống IoT điều khiển các thiết bị từ xa
1.1 Internet Of Things và những vấn đề cơ bản
1.1.1 Internet of Things và xu thế toàn cầu
Internet of Things (viết tắt IoT) : hiểu đơn giản là Internet vạn vật, kết nối vạn vậtvào mạng Internet, có khả năng truyền tải thông tin, dữ liệu , kết hợp với nhau thựchiện một công việc nào đó
Thực tế, Internet of Things đã manh nha từ nhiều thập kỹ trước Tuy nhiên mãi đếnnăm 1999 cụm từ IoT mới được đưa ra bởi Kevin Ashton
IoT là một minh chứng cho tốc độ mà những thay đổi đang diễn ra trong thế giới
kỹ thuật số Sự thay đổi theo cấp số nhân, “Internet of Things” (IOT) là thiết bị côngnghệ kết nối vật dụng hàng ngày với internet cung cấp dữ liệu để theo dõi, kiểm soátđược
Những vật dụng hàng ngày xung quanh chúng ta sẽ có kết nối Internet: nhiệt, tủlạnh, máy và ô tô… IoT sẽ có thể cung cấp một lượng lớn dữ liệu, cung cấp nhà sảnxuất với thông tin giá trị về việc sử dụng, vấn đề của người tiêu dùng, cho phép cáccông ty để biết thói quen của họ và thậm chí dự đoán nhu cầu của họ, đồng thời dựđoán được sản phẩm ưa chuộng
IoT sẽ tác động trực tiếp đến mọi mặt đời sống :
- Cơ sở hạ tầng: IoT có thể tham gia giám sát và kiểm soát giao thông đèn, cầuhoặc đường (cả thành thị và nông thôn), phát hiện những thay đổi trong điều kiện cơcấu, đáp ứng ngay lập tức trong trường hợp khẩn cấp, nâng cao chất lượng
Trang 21- Môi trường: IoT có thể thiết lập kiểm soát chất lượng không khí hoặc nước, điềukiện khí quyển hoặc đất.
- Công nghiệp và sản xuất hàng loạt: tương lai IoT có thể hỗ trợ lập trình sửa chữa
và bảo trì các hoạt động, kiểm soát và quản lý quá trình tập trung, tối ưu hóa các dâychuyền sản xuất và đáp ứng nhanh chóng nhu cầu sản phẩm
Năng lượng: Giám sát từ xa tiêu thụ năng lượng, lưu trữ thông minh, hệ thống pháthiện và hành động, tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng
- Y học và sức khỏe: IoT tạo ra các ứng dụng để cung cấp dữ liệu hoạt động trongthời gian thực, cho phép hệ thống thông báo khẩn cấp và giám sát từ xa hoặc giám sát,
hỗ trợ quá trình điều trị và tư vấn sức khỏe
- Logistics và Vận tải: Giám sát của hệ thống giao thông bao gồm xe, lái xe, và cơ
sở hạ tầng, điều khiển giao thông thông minh, sự lựa chọn bãi đậu xe, thực hiện hệthống thu phí điện tử thu thập, hậu cần và quản lý đội xe hoặc hỗ trợ đường bộ và anninh
1.1.2 Những thách thức trong thời kì bùng nổ của Internet Of Things :
Dự đoán đến năm 2020 sẽ có khoảng 50 tỉ thiết bị thông minh được kết nối vàomạng Internet
Hình 1.1 Dự đoán phát triển của IoT trong năm 2020
Sự bùng nổ về số lượng thiết bị cũng đem đến nhiều thách thức mới : quản lí hạtầng, bảo mật, dữ liệu lớn bigdata…
Theo Cisco sau thời kì Internet of Things là thời kì của Internet of EveryThings
Trang 221.2 Thành phần trong một hệ thống IoT
IoT đã và đang trở thành một xu thế tất yếu, vậy làm thế nào để hiểu và tiếp cậnvới xây dựng một hệ thống IoT cơ bản, có khả năng điều khiển, tự động hoá hay thựcthi các công việc theo ý muốn người sử dụng, hãy cũng nhau phân tích
Phân tích mô hình nhà thông minh của BKAV :
Ngày 13/6/2014, Tập đoàn công nghệ Bkav chính thức ra mắt Nhà thông minhSmartHome, giải pháp điều khiển ngôi nhà theo các kịch bản ngữ cảnh thông minh.Bkav SmartHome là hệ thống Nhà thông minh hoàn chỉnh, có thể điều khiển vàkiểm soát ngôi nhà thông qua một giao diện trực quan 3D trên smartphone hay tablet,
ở đó các thiết bị được mô phỏng giống như đang sử dụng thực tế
Hình 1.2 Mô hình điều khiển nhà thông qua giao diện 3D
Các hệ thống từ điều khiển ánh sáng, rèm mành, kiểm soát môi trường, an ninh,giải trí cho đến bình nóng lạnh… được phối hợp hoạt động theo các kịch bản ngữ cảnhthông minh, nhằm mang đến sự tiện nghi cao nhất cho người sử dụng
Nhà thông minh Bkav SmartHome sử dụng công nghệ truyền thông không dâyZigBee và Wifi nên việc lắp đặt thiết bị rất thuận tiện, đơn giản
Trang 23Hình 1.3 Bảng điều khiển Smarthome của BKAV
Phân tích hệ thống nhà thông minh của BKAV có một vài nhận xét như sau :
Một IoT luôn có một thành phần gọi bộ điều khiển trung tâm hay (Controller) đượckết nối ra Internet theo một cách nào đó, có thể có dây hoặc không dây Thành phầnnày được coi là bộ não có nhiệm chi phối, quản lí vận hành toàn bộ hệ thống
Một thành phần tiếp theo không thể thiếu là các cảm biến (Sensor), nhiệm vụ thuthập thông tin vật lý từ môi trường chuyển về các tín hiệu điện để bộ điều khiển có thể
xử lí
Sau khi thu thập thông tin từ cảm biến (sensor), bộ điều khiển có thể đưa ra các yêucầu như tắt bật đèn tự động, kém rèm cửa, bật bình nóng lạnh… Các bộ phận thực thicác yêu cầu đó được gọi chung là Actutor
Trang 24Hình 1.4 Tiến trình làm việc trong hệ thống IoT đơn giản
1.2.1 Hệ thống điều khiển (Controller) :
Tổng quan về hệ thống điều khiển :
Các vòng phản hồi (feedback) được sử dụng để cung cấp thông tin theo thời gianthực cho bộ điều khiển dựa trên hành vi hiện tại
Trong một vòng kín, phản hồi liên tục được bộ điều khiển nhận từ các cảm biếncủa nó
Bộ điều khiển liên tục phân tích và xử lý thông tin, và sử dụng bộ truyền động đểsửa đổi các điều kiện
Các bộ điều khiển trong các hệ thống IoT cơ bản mà chúng ta hay sử dụng nhưArduino, Raspbery Pi…
Trang 25Hình 1.5 Bo mạch Arduino Uno
Hình 1.6 Máy tính nhúng Raspberry Pi
1.2.1.1 Hệ thống điều khiển vòng hở (Open-Loop Control Systems) :
Hình 1.7 Mô hình hệ thống điều khiển vòng hở
Không sử dụng thông tin phản hồi
Trang 26 Hành động thực hiện được xác định trước mà không có bất kỳ xác minh nào về kết quả đầu ra mong muốn.
Hệ thống điều khiển vòng hở thường được sử dụng cho các quy trình đơn giản
Hãy xem xét một máy pha cà phê như một hệ thống điều khiển vòng hở Ngườidùng cung cấp đúng lượng cà phê và nước (đầu vào) Máy làm nóng nước và kiểmsoát dòng nước nóng vào giỏ lọc đầu ra là cà phê
Một ví dụ khác về hệ thống điều khiển vòng hở là một thiết bị gia dụng Một máyrửa chén thường chạy trong một khoảng thời gian nhất định sử dụng xà phòng và nướcnóng Máy rửa chén với các vòi phun và giá để bát được đặt một cách tối ưu Tuynhiên, nhà máy không có khả năng xác định khi nào hoặc nếu bát đĩa sạch
1.2.1.2 Hệ thống điều khiển vòng kín ( Close-Loop Control Systems) :
Hình 1.8 Mô hình hệ thống điều khiển vòng kín
Sử dụng phản hồi để xác định xem đầu ra được thu thập có phải là đầu ra mong muốn hay không
Kết quả sau đó được đưa trở lại vào bộ điều khiển để điều chỉnh nhà máy cho lần lặp đầu ra tiếp theo và quá trình lặp lại
Trang 27Máy điều hòa nhiệt độ sử dụng hệ thống điều khiển vòng kín Đầu vào: nhiệt độnhập từ bàn phím.Khi điều hòa hoạt động, cảm biến liên tục gửi các phản hồi nhiệt độ
về hệ thống điều khiển, để điều chỉnh và duy trì nhiệt độ đầu ra mong muốn
Có nhiều loại bộ điều khiển vòng kín:
Bộ điều khiển tỷ lệ (P): dựa trên sự khác biệt giữa đầu ra thực tế và đầu ra mong muốn
Bộ điều khiển tích phân (PI): sử dụng dữ liệu lịch sử để đo thời gian hệ thống
đã lệch khỏi đầu ra mong muốn
Bộ điều khiển tỷ lệ, tích phân và đạo hàm (PID): bao gồm dữ liệu về tốc độ hệ thống tiếp cận với đầu ra mong muốn
Bộ điều khiển PID là một cách hiệu quả để thực hiện điều khiển phản hồi
Các thiết bị Arduino và Raspberry Pi có thể được sử dụng để thực hiện các bộ điềukhiển PID
1.2.2 Cảm biến (Sensor)
Cảm biến là linh kiện, thiết bị điện tử cảm nhận và biến đổi các thông tin vật lý từ môitrường thành tín hiệu điện
Cảm biến có nhiều cách để phân loại, cơ bản chia thành 2 nhóm chính :
Sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng
ngoại, tia X, tia gamma, hạt bức xạ, nhiệt
độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng
cách, chuyển động, gia tốc, từ trường, trọng
trường,
Độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặchiệu, khói,
Thông tin thu thập từ cảm biến có thể ở dạng tín hiệu số (digital) hoặc tín hiệu tương
Trang 28Một số loại cảm biến cơ bản :
Bộ phận chấp hành có thể là một động cơ đơn giản, thủy lực, điện, khí nén …
Có nhiệm vụ thực thi các mệnh lệnh được gửi từ hệ thống điều khiển
Hình 1.12 Máy bơm mini
1.3 Công nghệ không dây phổ biến trong các hệ thống IoT
Trang 29Hình 1.13 Biểu đồ khoảng cách và khả năng truyền dữ liệu của các công nghệ không
dây
1.3.1 Bluetooth
Một công nghệ giao tiếp truyền thông trong khoảng cách ngắn vô cùng quan trọng,
đó là Bluetooth Hiện nay, bluetooth xuất hiện hầu hết ở các thiết bị như máy tính,điện thoại/ smartphone, và nó được dự kiến là chìa khóa cho các sản phẩm IoT đặcbiệt, cho phép giao tiếp thiết bị với các smartphone - một "thế lực hùng hậu" hiện nay Hiện nay, BLE - Bluetooth Low Energy - hoặc Bluethooth Smart là một giao thứcđược sử dụng đáng kể cho các ứng dụng IoT
Theo Bluetooth SIG, hiện có hơn 90% điện thoại smartphone được nhúngBluetooth, bao gồm các hệ điều hành IOS, Android và Windows
Phiên bản Bluetooth mới nhất hiện nay là Bluetooth 5.1
Hầu hết các đồng hồ thông minh đều trang bị Bluetooth BLE, luôn sẵn sàng kết nốicác thiết bị khác
Thông số kỹ thuật cơ bản :
Tần số: 2.4 GHz
Phạm vi: 50-150 m ( Smart / BLE)
Trang 30 Dữ liệu truyền được: 1 Mbps
Nhược điểm : tầm phủ sóng và khả năng truyền tải chưa cao
1.3.2 Zigbee
Zigbee, giống như Bluetooth, là một loại truyền thông trong khoảng cách ngắn,hiện được sử dụng với số lượng lớn và thường được sử dụng trong công nghiệp Điểnhình, Zigbee Pro và Zigbee remote control (RF4CE) được thiết kế trên nền tảng giaothức IEEE802.15.4 - là một chuẩn giao thức truyền thông vật lý trong công nghiệphoạt động ở 2.4Ghz thường được sử dụng trong các ứng dụng khoảng cách ngắn và dữliệu truyền tin ít nhưng thường xuyên, được đánh giá phù hợp với các ứng dụng trongsmarthome hoặc trong một khu vực đô thị/khu chung cư
Zigbee / RF4CE có một lợi thế đáng kể trong các hệ thống phức tạp cần các điềukiện: tiêu thụ công suất thấp, tính bảo mật cao, khả năng mở rộng số lượng các nodecao
Thông số kỹ thuật cơ bản :
Tiêu chuẩn: ZigBee 3.0 based on IEEE802.15.4
Trang 31Chuẩn kết nối Z-Wave và Zigbee cùng hoạt động với tần số 2.4GHz, và cùng đượcthiết kế với mức tiêu thụ năng lượng rất ít nên có thể sử dụng với các loại PIN di động.Zwave hoạt động ở tần số thấp hơn so với Zigbee/wifi, dao động trong các dải tầncủa 900Mhz, tùy theo quy định ở từng khu vực khác nhau.
Ưu điểm của Z-Wave là tiêu thụ năng lượng cực ít và độ mở ( open platform) cựccao Hiện nay, Z-Wave được ứng dụng chủ yếu trong ứng dụng smarthome Đặc biệt,mỗi thiết bị Z-Wave trong hệ thống là một thiết bị có thể vừa thu và vừa phát sóng nêntính ổn định hệ thống được nâng cao
Đặc biệt, Z-Wave đã được nhiều nhà sản xuất thiết bị tích hợp vào, đây là một côngnghệ đang được chú ý và các nhà sản xuất đang tập trung nhiều hơn vào nó
Thông số kỹ thuật cơ bản :
Tiêu chuẩn: Z-Wave Alliance ZAD12837 / ITU-T G.9959
Tần số: 900MHz (ISM)
Phạm vi: 30m
Dữ liệu truyền được: 9.6/40/100kbit/s
1.3.4 WiFi
Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây
sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và radio
Tên gọi 802.11 bắt nguồn từ viện IEEE (Institute of Electrical and ElectronicsEngineers) Viện này tạo ra nhiều chuẩn cho nhiều giao thức kỹ thuật khác nhau, và nó
sử dụng một hệ thống số nhằm phân loại chúng; 6 chuẩn thông dụng của WiFi hiệnnay là 802.11a/b/g/n/ac/ad
Hiện nay, đa số các thiết bị wifi đều tuân theo chuẩn 802.11n, được phát ở tần số2.4Ghz và đạt tốc độ xử lý tối đa 300Megabit/giây
Trang 32Ưu điểm : Có khả năng truyền tải rất tốt.
Nhược điểm : Không phù hợp với các thiết bị IoT nhỏ, tiêu tốn nhiều năng lượng
1.3.5 LoRa
LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo
và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012 Với công nghệ này, chúng ta
có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đạicông suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu
1.4 Giao thức truyền thông MQTT
MQTT là viết tắt của Message Queue Telemetry Transport một giao thức truyềngiao thức truyền thông điệp (message) theo mô hình publish/subscribe (xuất bản – theodõi)
MQTT sử dụng băng thông thấp, độ tin cậy cao và có khả năng hoạt động trongđiều kiện đường truyền không ổn định
MQTT là một giao thức nhắn tin gọn nhẹ được thiết kế để liên lạc nhẹ giữa M2M.Phiên bản MQTT mới nhất tính tới 12/2019 là bản MQTT 5.0
Kiến trúc mức cao (high-level) của MQTT gồm 2 phần chính là Broker và Clients
Trang 33Hình 1.14 Mô hình hoạt động MQTT Broker và MQTT Client
Broker được coi như trung tâm, nó là điểm giao của tất cả các kết nối đến từ client.Nhiệm vụ chính của broker là nhận mesage từ publisher, xếp các message theo hàngđợi rồi chuyển chúng tới một địa chỉ cụ thể Nhiệm vụ phụ của broker là nó có thể đảmnhận thêm một vài tính năng liên quan tới quá trình truyền thông như: bảo mậtmessage, lưu trữ message, logs,…
Client thì được chia thành 2 nhóm là publisher và subscriber Client hoạt động tạiedge device nên chúng được thiết kế để có thể hoạt động một cách linh hoạt Client chỉlàm ít nhất một trong 2 việc là publish các message lên một topic cụ thể hoặc subscribemột topic nào đó để nhận message từ topic này
Trang 34Hình 1.15 Mô hình thể hiện quá trình Subscribe
Khi một client gởi dữ liệu tới kênh đó, gọi là “publish”
Hình 1.16 Mô hình thể hiện quá trình Publish
1.4.2 QoS
Ở đây có 3 tuỳ chọn QoS (Qualities of service) khi “publish” và “subscribe”:
QoS0 Broker/client sẽ gởi dữ liệu đúng 1 lần, quá trình gởi được xác nhận bởi chỉgiao thức TCP/IP, giống kiểu đem con bỏ chợ
QoS1 Broker/client sẽ gởi dữ liệu với ít nhất 1 lần xác nhận từ đầu kia, nghĩa là cóthể có nhiều hơn 1 lần xác nhận đã nhận được dữ liệu
QoS2 Broker/client đảm bảm khi gởi dữ liệu thì phía nhận chỉ nhận được đúng 1lần, quá trình này phải trải qua 4 bước bắt tay
Một gói tin có thể được gởi ở bất kỳ QoS nào, và các client cũng có thể subscribevới bất kỳ yêu cầu QoS nào Có nghĩa là client sẽ lựa chọn QoS tối đa mà nó có đểnhận tin Ví dụ, nếu 1 gói dữ liệu được publish với QoS2, và client subscribe vớiQoS0, thì gói dữ liệu được nhận về client này sẽ được broker gởi với QoS0, và 1 client
Trang 35Một ví dụ khác, nếu 1 client subscribe với QoS2 và gói dữ liệu gởi vào kênh đópublish với QoS0 thì client đó sẽ được Broker gởi dữ liệu với QoS0 QoS càng cao thìcàng đáng tin cậy, đồng thời độ trễ và băng thông đòi hỏi cũng cao hơn.
Trang 36CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH, XÂY DỰNG HỆ THỐNG IOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA CÓ KHẢ NĂNG TUỲ CHỈNH THEO YÊU
CẦU CỦA NGƯỜI DÙNG
Trong chương này tôi sẽ trình bày về hệ thống IoT điều khiển từ xa có khả năngtuỳ chỉnh theo yêu cầu người dùng bao gồm đặt vấn đề, xây dựng, thiết kế các thànhphần hệ thống bao gồm cả phần cứng và phần mềm
2.1 Bài toán
Một hệ thống IoT điều khiển từ xa có khả năng tuỳ chỉnh theo yêu cầu người sửdụng được hiểu là hệ thống có khả năng tuỳ biến được, các hành động như bật tắt, thựcthi các tác vụ được định nghĩa từ xa thông qua Internet có thể trên các thiết bị di độnghoặc website Hệ thống sẽ hoạt động ngay lập tức theo tuỳ chỉnh của người dùng màkhông cần khởi động lại, mọi thông tin đã cấu hình đều được lưu lại
Hệ thống như vậy có thể quản lí trạng thái bật tắt thiết bị, lập lịch cho các thiết bịhoặc thực thi các tác vụ tự động theo yêu cầu người dùng Hệ thống được điều khiển
từ xa có khả năng tuỳ chỉnh cần đạt được các yêu cầu sau :
- Quản lí được trạng thái các thiết bị đang hoạt động
- Dễ dàng thêm thiết bị mới vào hệ thống
- Các thiết bị Node mới có thể trao đổi thông tin cho nhau hoặc phối hợp thực hiệnmột công việc do người dùng tự định nghĩa
- Có khả năng hẹn giờ hoạt động
- Các thiết bị Node là các mạch điện tử có khả năng hoạt động độc lập, chứa cáccảm biến để thu thập thông tin từ môi trường xung quanh
- Mọi thông tin đã được cấu hình từ hệ thống gửi từ xa sẽ được lưu trên các thiết bị,không bị mất kể cả khi khởi động lại hay mất điện
Trang 37Có thể chia công việc xây dựng hệ thống IoT thành 2 phần chính :
- Xây dựng thiết bị Node
- Xây dựng phần mềm quản lí trên Smartphone
2.2 Mô hình hệ thống IoT điều khiển từ xa
Một mô hình hệ thống IoT có khả năng điều khiển từ xa đòi hỏi cần có phươngthức nào đó giúp truyền nhận bản được bản tin đồng thời phải đảm bảo được độ tin cậy
Trang 38Thiết bị Node luôn subscribe một vài kênh mặc định phục vụ cho việc bật tắt hoặcnhận các bản tin cấu hình.
Người dùng có thể theo dõi các thông tin như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm từ các thiết
bị bằng việc subscribe các kênh chủ đề (topic) về ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm từ các thiết
bị đó
2.3 Xây dựng thiết bị Node
Một hệ thống IoT điều khiển từ xa thì phải có khả năng kết nối ra Internet theo mộtcách nào đó, có thể qua Bluetooth, Wifi , Zigbee…
Các vi điều khiển như AVR hay PIC thường không hỗ trợ các giao thức ra Internet,cần các module hỗ trợ như Bluetooth HC-05 hoặc ESP8266V1 nên rất khó để tận dụnghiệu quả
Vì vậy để hiệu quả chúng ta sẽ xây dựng thiết bị Node với bo mạch trung tâm làNode MCU 1.0
2.3.1 Phần mềm thiết kế mạch Altium Designer:
Altium Designer trước kia có tên gọi quen thuộc là Protel DXP, là một trong nhữngcông cụ vẽ mạch điện tử mạnh nhất hiện nay Được phát triển bởi hãng AltiumLimited
Altium designer là một phần mềm chuyên nghành được sử dụng trong thiết kếmạch điện tử
Đây là một trong những phần mềm không thể thiếu với sinh viên nghành Điện TửViễn Thông
Giao diện phần mềm :
Trang 39Hình 2.18 Giao diện làm việc của Altium designer
Phiên bản sử dụng trong đồ án này là phiên bản 18.0.11
2.3.2 Mạch nguyên lí :
Khối nguồn : Hạ áp từ 220AC về 5V DC
Hình 2.19 Sơ đồ nguyên lí mạch nguồn
Khối thiết bị : Gồm các relay, có thể kết nối điều khiển trực tiếp các thiết bị điệngia đụng như đèn, quạt…
Mạch gồm 4 khối thiết bị giống nhau, có khả năng điều khiển 4 thiết bị gia dụng
Trang 40Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lí khối thiết bị Relay
Khối điều khiển trung tâm và cảm biến :
Bộ điều khiển trung tâm gồm Node MCU và các cảm biến DHT11 và cảm biếnánh sáng
Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lí khối điều khiển trung tâm và cảm biến