ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI PHƢỚC KHÁNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ THÔNG MINH BẰNG GIỌNG NĨI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH ĐÀ NẴNG - 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI PHƢỚC KHÁNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ THÔNG MINH BẰNG GIỌNG NĨI Chun ngành: Khoa học máy tính Mã số: 848.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS NINH KHÁNH DUY ĐÀ NẴNG - 2018 ii LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến thầy Ninh Khánh Duy, thầy dành nhiều thời gian tận tình bảo, hướng dẫn em suốt trình tìm hiểu, triển khai nghiên cứu đề tài Thầy người định hướng đưa nhiều góp ý trình em thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn chân thành tới toàn thể thầy giáo, cô giáo khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng dạy bảo tận tình, trang bị cho em kiến thức bổ ích tạo điều kiện thuận lợi suốt trình em học tập nghiên cứu trường Do có nhiều hạn chế thời gian kiến thức nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp quý thầy cô bạn quan tâm Xin chân thành cảm ơn! iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT, TỪ ĐIỂN vii MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT 1.1 Định nghĩa 1.2 Khái niệm IoT 1.3 IoT từ góc nhìn kỹ thuật 1.4 Đặc điểm yêu cầu mức cao hệ thống IoT 1.4.1 Đặc tính 1.4.2 Yêu cầu mức cao hệ thống IoT Một hệ thống IoT phải thoả mãn yêu cầu sau: 1.5 Mơ hình hệ thống IoT 1.5.1 Application Layer 10 1.5.2 Service support and application support layer 10 1.5.3 Network layer 10 1.5.4 Device layer 10 CHƢƠNG 2: CÁC GIAO THỨC KẾT NỐI PHẦN CỨNG VÀ THƢ VIỆN PHẦN MỀM 12 2.1 Các giao thức 12 2.1.1 Giao thức HTTP: 12 2.1.2 Giao thức MQTT: 15 2.1.3 Giao thức IFTTT 23 2.2 Giới thiệu thiết bị Raspberry Pi 24 2.2.1 Giới thiệu chung 24 2.2.2 Hệ điều hành Raspberry Pi 29 2.2.3 Các ứng dụng từ Raspberry Pi 34 2.3 Module ESP8266 : 37 2.4 Phần mềm Openhab 38 2.5 Mơ hình hoạt động chương trình 40 iv CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG 41 3.1 Xây dựng chương trình: 41 3.2 Mơ hình hoạt động chương trình: 41 3.3 Thiết lập mức độ điều khiển hệ thống 43 3.3.1 Cấp độ - Hệ thống điều khiển bật/tắt thiết bị điện 43 3.3.2 Cấp độ - Hệ thống điều khiển tốc độ động 44 3.3.3 Cấp độ - Hệ thống điều khiển hồng ngoại 45 CHƢƠNG 4: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 47 4.1 Một số hình ảnh chạy demo chương trình: 47 4.2 Đánh giá kết chạy thử nghiệm chương trình demo 49 4.3 Hướng phát triển 50 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) v DANH MỤC HÌNH VẼ Chƣơng Hình 1.1: Kết nối vật Hình 1.2: Hệ thống IoT từ góc nhìn kỹ thuật Hình 1.3: Các loại thiết bị khác mối quan hệ [2] Hình 1.4: Mơ hình IoT Chƣơng Hình 2.1 Mơ hình client-server 12 Hình 2.2 Quy trình hoạt động kết nối HTTP không bền vững 13 Hình 2.3 Cấu trúc chung thơng điệp HTTP u cầu 14 Hình 2.4 Ví dụ thông điệp HTTP yêu cầu 15 Hình 2.5 Ví dụ kết nối mạng lưới MQTT 17 Hình 2.6 Mơ hình giao thức MQTT 17 Hình 2.7 Session subscription thiết lập với clean session flag = 19 Hình 2.8 Session subscription thiết lập với clean session flag = 20 Hình 2.9 QoS mức 21 Hình 2.10 QoS mức 22 Hình 2.11 QoS mức 23 Hình 2.12 Bảng mạch máy tính Raspberry Pi 24 Hình 2.13 Cấu tạo Raspberry Pi 25 Hình 2.14 Sơ đồ kết nối PI 28 Hình 2.15 Phần mềm Win32DiskImage 31 Hình 2.16 Màn hình thiết lập cho Raspberry Pi 31 Hình 2.17 Giao diện đồ họa hệ điều hành Raspbian 32 Hình 2.18 Phần mềm Putty 32 Hình2.19 Phần mềm Remote Desktop Connection 33 Hình 2.20 Giao diện dịng lệnh Putty 33 Hình 2.21: Đặt IP tĩnh cho Raspberry Pi 34 Hình2.22: Hệ điều hành Raspbmc chạy Raspberry Pi 35 Hình 2.23: Phần mềm WINSCP 37 vi Hình 2.24: Kit ESP8266 37 Hình 2.25: Sơ đồ đấu chân kit ESP8266 38 Hình 2.26: Sơ đồ kết nối ESP8266 Với MQTT 38 Hình 2.27: Giao diện ứng dụng 39 Hình 2.28: Sơ đồ khối hệ thống 40 Hình 2.29: Sơ đồ khối trực quan 40 Chƣơng Hình 3.1: Sơ đồ người dùng tương tác với hệ thống 41 Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống xử lý trung tâm điều khiển trực tiếp thiết bị 42 Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống hệ thống cấp độ 43 Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống hệ thống cấp độ 44 Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống hệ thống cấp độ 45 Chƣơng Hình 4.1: Khối điều khiển đèn 47 Hình 4.2: Khối điều khiển quạt 48 Hình 4.3: Khối điều khiển tivi 49 Hình 4.4: Khối điều khiển trung tâm 49 vii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT, TỪ ĐIỂN AODV Ad hoc On – Demand Distance Vector Routing Chuỗi hướng theo yêu cầu Ad hoc CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến sóng mang DAM Distributed Aggregae Management Giao thức quản lý khối kết hợp phân tán DSDV Destination-Sequenced Distance-Vector Chuỗi hướng với đích DSR Dynamic Source Routing Định tuyến nguồn động GLONASS Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh điều hướng toàn cầu GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu HVAC Heating, Ventilation and Air Conditioning Hơi ấm, thơng gió điều kiện khơng khí MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường NS-2 Network Simulator - Bộ mô mạng phiên PDA Personal Digital Assistant Trợ tá số cá nhân RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RFM RF Monolithic Thành phần nguyên khối tần số vô tuyến RKE Remote Keyless Entry Đăng nhập mục khơng khố từ xa DP Dissemination Protocol Bảng số liệu SWAN Simulator for Wireless Ad- hoc Networks Mô hình mơ mạng Adhoc khơng dây TADAP Task Assignment and Data Advertisement Protocol Giao thức phân nhiệm vụ quảng cáo số liệu TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian viii TORA Temporally Ordered Routing Algorithm Thuật tốn tìm đường theo thời gian UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter Bộ thu phát không động chung VHDL VHSIC Hardware Description Language Ngơn ngữ mơ tả phần cứng mạch tích hợp mật độ cao WINS Wireless Integrated Network Sensors Cảm biến mạng tích hợp vơ tuyến WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội hạt vô tuyến WPAN Wireless Personal Area Network Mạng vùng cá nhân vô tuyến 50 - Khả ứng dụng phát triển chương trình thực nghiệm: - Với chi phí hợp lý (Bộ Raspberry Pi sensor thông dụng dễ dàng mua sắm với giá hợp lý), cơng nghệ hỗ trợ sẵn có mạnh (ngơn ngữ lập trình Python thư viện hỗ trợ) - Chạy thành công hệ thống, điều khiển thiết bị điện - Điều khiển thiết bị qua mạng Internet Ƣu điểm: - Mạch đơn giản, gọn nhẹ, hoạt động ổn định, xác, dễ lắp đặt sửa chữa - Dễ dàng giám sát điều khiển hệ thống Hạn chế: - Hệ thống mới demo thiết bị điện, điện tử có cơng suất thấp, điện áp nhỏ 4.3 Hƣớng phát triển - Hoàn thiện khối điều khiển, ứng dụng tình cụ thể hộ gia đình - Hướng tới biến hệ thống thành sản phẩm bán thị trường 51 KẾT LUẬN Điều khiển thiết bị điện, điện tử nhà thơng minh nói riêng cơng nghệ IoT, mạng cảm biến khơng dây nói chung hứa hẹn tạo ứng dụng đầy tiềm năng, áp dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, mà cơng nghệ khác cịn nhiều hạn chế - Tuy nhiên để triển khai mạng, người thiết kế hệ thống yêu cầu phải nắm bắt nhân tố tác động đến mạng, kết nối thiết bị điện, điện tử: + Tìm hiểu chi tiết tính kỹ thuật thiết bị Raspberry Pi module wifi không dây 8266 + Sử dụng ngôn ngữ lập trình Python để điều khiển Sau hiển thị giao diện web cách trực quan dễ hiểu - Những nhược điểm mạng cần phải khắc phục, người thiết kế cần phải quan tâm đến tham số mạng, ví dụ tập chất lượng dịch vụ QoS, cách kết nối thiết bị điện tử để điều khiển Nhờ q trình mơ mà người thiết kế hệ thống đánh giá chất lượng dịch vụ mạng cung cấp, độ ổn định thiết bị …để từ thiết kế hệ thống theo cách tối ưu - Trên sở nghiên cứu tìm hiểu Raspberry Pi, ESP8266, Rơle tác động, với tổng quan IoT, công nghệ cảm biến không dây ứng dụng thực tiễn, em xây dựng thành công chương trình thực nghiệm có tính khả thi cao (như trình bày phần đánh giá kết chạy thử nghiệm) Tuy nhiên, thời gian hạn chế, chương trình chưa chạy thử nghiệm với số lượng lớn thiết bị, chưa đánh giá hết số vấn đề như: việc truyền nhận liệu từ thiết bị, vấn đề xung đột phần tử hệ thống… Đây hướng nghiên cứu, phát triển luận văn 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO Luigi Atzori, Antonio Iera, Giacomo Morabito, Internet of Things: A survey, Computer Networks 54 (2010) 2787–2805 Ovidiu Vermesan, Peter Friess, Patrick Guillemin, Internet of ThingsStrategic Research Roadmap, 2009 Strategic Research Agenda, The IoTEuropean Research Cluster - European Research Cluster on the Internet of Things (IERC) Everton Cavalcante, Marcelo Pitanga Alves, An Analysis of ReferenceArchitectures for the Internet of Things, Corba 2015 Anna Ha‟c, Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd, Copyright 2003 Edgar H.Callaway, Jr Wireless Sensor Networks: Architectures andProtocols, A CRC Press Company, Copyright © 2004 CRC Press LLC Ovidiu Vermesan, ConvergingTechnologies Peter Friess, Internet of Things– For Smart Environments and Integrated Ecosystems, RiverPublishers Series in Communications Kiran Maraiya, Kamal Kant, Nitin Gupta, Application based Study onWireless Sensor Network, International Journal of Computer Application (0975-8887), Volume 21, No.8, May 2011 I.F Akyildiz, W Su*, Y Sankarasubramaniam, E Cayirci, Wireless sensor networks: A survey, Broadband and Wireless Networking Laboratory, School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, Received 12 December 2001; accepted 20 December 2001. ... vực khác Đề tài ? ?Điều khiển thiết bị điện nhà thơng minh giọng nói? ?? Với mục đích xây dựng hệ thống bao gồm phần cứng phần mềm, ứng dụng kết nối thiết bị điện, điện tử dân dụng .Thông qua mạng internet,... loại thiết bị khác mối quan hệ [2] Yêu cầu tối thiểu “device” IOT khả giao tiếp [2] Thiết bị phân loại vào dạng thiết bị mang thông tin, thiết bị thu thập liệu, thiết bị cảm ứng (sensor), thiết bị. .. HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI PHƢỚC KHÁNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ THÔNG MINH BẰNG GIỌNG NĨI Chun ngành: Khoa học máy tính Mã số: 848.01.01 LUẬN VĂN THẠC