đồ án điều khiển và quản lý thiết bị zigbee với nodejs

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Văn Đức ĐIỀU KHIỂN VÀ QUẢN LÝ THIẾT BỊ TRONG CÁC ỨNG DỤNG NHÀ THÔNG MINH THEO CHUẨN ZIGBEE VỚI NODEJS VÀ METEORJS KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ thơng tin HÀ NỘI – 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Văn Đức ĐIỀU KHIỂN VÀ QUẢN LÝ THIẾT BỊ TRONG CÁC ỨNG DỤNG NHÀ THÔNG MINH THEO CHUẨN ZIGBEE VỚI NODEJS VÀ METEORJS KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ thơng tin Cán hướng dẫn: TS Hồng Xn Tùng HÀ NỘI - 2016 VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI UNIVERSITY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY Le Van Duc CONTROLLING AND MANAGING DEVICE IN THE SMART HOME APPLICATIONS FOLLOW ZIGBEE STANDARD WITH NODEJS AND METEORJS Major: Information Technology Supervisor: Ph.D Hoang Xuan Tung HA NOI - 2016 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin gửi lời cảm ơn tới tồn thể Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội năm học qua tạo điều kiện cho tơi xây dựng, tích lũy kiến thức học giúp tơi hồn thành khóa học Tôi xin gửi lời cảm ơn thầy, cô giáo khoa Cơng Nghệ Thơng Tin, tận tình dạy truyền đạt kiến thức, kỹ quý báu, đồng thời tạo điều kiện cho tơi hồn thành khóa luận Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo, TS Hoàng Xuân Tùng, người tận tình hướng dẫn tơi giải khó khăn đề tài khóa luận Cảm ơn thầy thường xuyên nhắc nhở việc nghiên cứu học tập, giúp hướng không nhãng việc hồn thành khóa luận Tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp K57CLC bên cạnh, ủng hộ, động viên giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, rèn luyện trường thời gian làm khóa luận Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2016 Sinh viên Lê Văn Đức ii TĨM TẮT Tóm tắt: Hiện tiến công nghệ thông tin đem tới nhiều sản phẩm hữu ích cho người Một số ứng dụng nhà thông minh, xu hướng công nghệ tất yếu giới, trở thành tiêu chuẩn nhà đại Những ứng dụng nhà thông minh giúp điều khiển từ xa, việc tự động hóa thiết bị, vật dụng nhà chiếu sáng, rèm, cửa, điều hòa nhiệt độ, an ninh, giải trí, quản lý lượng, mang đến tiện nghi cho sống người Một số vấn đề cịn tồn giải pháp nhà thơng minh việc cấu hình, cài đặt cịn phức tạp, phải dây nhà để kết nối thiết bị ảnh hưởng tới thiết kế nhà, người dùng bị hạn chế muốn tự nâng cấp, thêm Đồng thời kèm với giá thành thiết bị không rẻ Do đề tài khóa luận tơi nghiên cứu phát triển giải pháp để khắc phục nhược điểm cách áp dụng chuẩn truyền thông không dây ZigBee, cung cấp giao diện điều khiển, quản lý thân thiện qua Web ứng dụng di động Tuy hỗ trợ thiết bị có khả bật tắt đơn giản hạn chế mặt thời gian, nhân lực vật lực, kết đề tài khóa luận móng để mở rộng điều khiển các thiết bị có chức cao cấp sau Nội dung khóa luận tập trung trình bày giải pháp đề xuất sử dụng công nghệ ZigBee, NodeJS, MeteorJS, phân tích thiết kế ứng dụng cho việc điều khiển quản lý thiết bị nhà Từ khóa: nhà thơng minh, ZigBee, điều khiển quản lý, NodeJS MeteorJS iii ABSTRACT Abstract: At present, the advancement of information technology has brought many useful products for humans One of them is smart home application It is an inevitable trend of technology in the world, and become the standard of the modern home today These smart home applications help remote control, as well as automation household items activity such as lighting, blinds, doors, air conditioning, security, entertainment, energy management It carries the comfort for human life Some problems of many smart home solution today is its complex configuration, installation and it may have to install separate house wiring to connect each device; users are restricted to upgrade or install new device themselves Many smart home’s devices are expensive Therefore in this thesis, I have researched and developed a solution to solving the above problems by adopting the ZigBee standard for wireless communications, and providing friendly user interface to control and manage household devices via Web and mobile applications While my solution only supports simple toggle device due to the limitation of time, human and material resources, but the results of this solution will be the foundation to expand the control of the devices, which are more advanced functionality later Content of this thesis will present principle of my solution by using ZigBee, NodeJS, MeteorJS technology, and analysis, design application to controlling and managing the household devices Keywords: smart home, ZigBee, control and manage, NodeJS and MeteorJS iv LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan nội dung khóa luận thực hướng dẫn TS Hồng Xn Tùng Tơi cam đoan tất tham khảo từ nghiên cứu liên quan nêu nguồn gốc cách rõ ràng từ danh mục tài liệu tham khảo khóa luận Tơi cam đoan khơng chép tài liệu, cơng trình nghiên cứu người khác mà không rõ tài liệu tham khảo Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2016 Sinh viên Lê Văn Đức v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv LỜI CAM ĐOAN .v MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU viii Chương Đặt vấn đề 1.1 Tính cấp thiết đề tài .1 1.2 Các vấn đề thực trạng giải pháp nhà thông minh 1.3 Phát biểu toán .8 Chương Giải pháp đề xuất sở lý thuyết 2.1 Mơ hình giải pháp DHome 2.2 Giải pháp phần cứng 10 2.2.1 Client 10 2.2.2 Server 11 2.2.3 ZNP Device 12 2.3 Giải pháp phần mềm 13 2.3.1 Client 14 2.3.2 Server 14 2.3.2.1 Nền tảng NodeJS 15 2.3.2.2 MeteorJS - Bộ khung phát triển ứng dụng 16 2.3.2.3 Lưu trữ liệu 17 2.3.2.4 Điều khiển thiết bị 19 2.3.2.5 Cập nhật liệu theo thời gian thực 20 vi Chương Phân tích thiết kế ứng dụng 22 3.1 Lưu trữ quản lý thiết bị theo nhóm .23 3.1.1 Mơ hình sở liệu .23 3.1.2 Ca sử dụng .25 3.1.3 Thiết kế ứng dụng .27 3.2 Điều khiển thiết bị 28 3.2.1 Giao thức DZP 28 3.2.2 Ca sử dụng .30 3.2.3 Thiết kế ứng dụng .32 3.3 Quản lý tác vụ cho thiết bị .34 3.3.1 Ca sử dụng .34 3.3.2 Thiết kế ứng dụng .36 3.4 Cập nhật liệu theo thời gian thực 37 3.4.1 Ca sử dụng .37 3.4.2 Thiết kế ứng dụng .38 Chương Kết thực nghiệm 40 4.1 Chuẩn bị thiết bị 40 4.2 Giao diện sử dụng thực nghiệm 41 Chương Kết luận 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 vii DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1.1 Mơ hình giải pháp nhà thông minh Bảng 1.1 So sánh ưu nhược điểm chuẩn truyền thông nhà thông minh .7 Hình 2.1 Mơ hình hoạt động giải pháp DHome .9 Hình 2.2 Một bo mạch BeagleBone Black to cỡ thẻ ATM .12 Hình 2.3 Kiến trúc kỹ thuật ZigBee Pro Stack Texas Instruments[12] 13 Hình 2.4 Ví dụ cấu trúc thiết bị nhà 18 Hình 2.5 Kiến trúc truyền thơng qua giao thức DZP đối tượng .19 Hình 2.6 Mơ hình truyền thơng Publisher Subscriber 21 Hình 3.1 Ca sử dụng người dùng (User) 22 Hình 3.2 Ca sử dụng thiết bị (Device) .22 Bảng 3.1 Các thành phần logic hệ thống 23 Hình 3.3 Lược đồ thực thể liên kết sở liệu DHome 24 Hình 3.4 Lược đồ quan hệ sở liệu DHome 24 Hình 3.5 Ca sử dụng Thêm Group 26 Hình 3.6 Ca sử dụng Xóa Group 27 Bảng 3.2 Cấu trúc gói tin DZP 28 Hình 3.7 Ca sử dụng Thêm Device 30 Hình 3.8 Ca sử dụng Điều khiển Device .31 Hình 3.9 Ca sử dụng Xóa Device 32 Hình 3.10 Ca sử dụng Thêm Task .34 Hình 3.11 Ca sử dụng Bật/Tắt Task 35 Hình 3.12 Ca sử dụng Xóa Task .36 Hình 3.13 Ca sử dụng Thay đổi trạng thái Device 37 viii o Control đọc gói tin Join Info Respond trích xuất idx, netadd, endpoint lưu Device vào sở liệu Tuy luồng hoạt động hệ thống phức tạp, ca sử dụng Thêm Device, người dùng làm số thao tác đơn giản bao gồm: o Nhập tên cho thiết bị Thường nhập lúc 3-4 thiết bị cơng tắc có tới 3-4 nút bật/tắt o Kích hoạt chế độ Join cơng tắc nút vật lý Như vậy, giải pháp DHome giải phần vấn đề cấu hình thêm thiết bị nói chương trước  Trong ca sử dụng Điều khiển Device gần tương tự, yêu cầu bật/tắt Device: o Đầu tiên Control lấy thông tin Device trước (bao gồm idx, netadd, endpoint), sau ghép thơng tin thành gói tin Command Request gửi đến ZNP qua Serial o ZNP có nhiệm vụ chuyển gói tin tới Device thơng qua giao thức khơng dây ZigBee o Sau Device thay đổi trạng thái, gửi lại gói tin Status Respond tới ZNP, ZNP lại chuyển cho ứng dụng qua Serial o Control đọc gói tin Status Respond trích xuất trạng thái Device (status Byte 8) cập nhật vào sở liệu  Control ứng dụng Server bao gồm hàm: o Permitjoin: gửi Permit Join Request lưu liệu Device sau kết nối o Command: gửi Command Request o Hàm lắng nghe gói tin từ ZNP nhận biết, trích xuất liệu Device cập nhật vào sở liệu 33 3.3 Quản lý tác vụ cho thiết bị 3.3.1 Ca sử dụng  Ca sử dụng Thêm Task Mô tả tóm tắt Ca sử dụng cho phép người dùng (User) thêm Task vào sở liệu Luồng kiện Người dùng bấm nút thêm Task Người dùng nhập form bao gồm time(text), action(ON/OFF) cho Task Người dùng xác nhận thêm Task Luồng kiện phụ Khơng có Tiền điều kiện Người dùng duyệt giao diện quản lý Task cho Device định Hậu điều kiện Hệ thống thêm Task ứng với Device giao diện trước Hệ thống kích hoạt Task theo mặc định Giao diện quản lý Task cập nhật tức Hình 3.10 Ca sử dụng Thêm Task 34  Ca sử dụng Bật/Tắt Task Mơ tả tóm tắt Ca sử dụng cho phép người dùng (User) kích hoạt/hủy Task mà khơng xóa khỏi sở liệu Luồng kiện Người dùng bấm nút trạng thái bên cạnh Task Luồng kiện phụ Khơng có Tiền điều kiện Người dùng duyệt giao diện quản lý Task Hậu điều kiện Hệ thống kích hoạt (bật) Task trạng thái cũ tắt ngược lại Giao diện quản lý cập nhật tức thời Hình 3.11 Ca sử dụng Bật/Tắt Task  Ca sử dụng Xóa Task Mơ tả tóm tắt Ca sử dụng cho phép người dùng (User) xóa Task khỏi sở liệu Luồng kiện Người dùng bấm nút xóa bên cạnh Task Người dùng xác nhận xóa Task 35 Luồng kiện phụ Khơng có Tiền điều kiện Người dùng duyệt giao diện quản lý Task Hậu điều kiện Hệ thống hủy(tắt) Task Task kích hoạt (bật) Hệ thống xoa Task khỏi sở liệu Giao diện quản lý cập nhật tức thời Hình 3.12 Ca sử dụng Xóa Task 3.3.2 Thiết kế ứng dụng Với Device, người dùng tạo lịch trình bật tắt cho Device theo thời gian tùy ý, gọi Task Mỗi Device sở hữu nhiều Task, với Task, người dùng xóa, bật/tắt theo ý muốn Trong ứng dụng DHome, sử dụng thư viện later NodeJS để tạo lập, thực thi Task Vì khơng có đủ thời gian để thiết kế giao diện cho việc chọn thời gian thực thi Task nên sử dụng định dạng Text later làm định dạng cho thời gian thực thi Nó định dạng gần với ngôn ngữ tự nhiên tiếng Anh Ví dụ đoạn text “at 5:00 pm” định nghĩa Task kích hoạt lúc 5:00 pm hàng ngày Hoặc đoạn text khác “at 5:00 pm on Weds,Thurs and Fri” định nghĩa kích hoạt 5:00 pm ngày thứ 4, thứ thứ Chi tiết 36 định dạng xem hướng dẫn thư viện later[21], gần với ngơn ngữ tiếng Anh tự nhiên nên dễ học theo sử dụng 3.4 Cập nhật liệu theo thời gian thực 3.4.1 Ca sử dụng  Ca sử dụng Thay đổi trạng thái Device Mơ tả tóm tắt Ca sử dụng xảy Device thay đổi trạng thái (cả điều khiển phần mềm lẫn tác động vật lý) Luồng kiện Device gửi thơng tin trạng thái cho Server (qua sóng ZigBee) Luồng kiện phụ Khơng có Tiền điều kiện Khơng Hậu điều kiện Hệ thống nhận dạng Device cập nhật trạng thái Device vào sở liệu Giao diện Client cập nhật tức thời Hình 3.13 Ca sử dụng Thay đổi trạng thái Device  Cơ chế Publish/Subscribe 37 Ca sử dụng hay luồng hoạt động xảy sở liệu Server thay đổi Các thay đổi thơng báo Client để liệu Client cập nhật theo thời gian thực Hình 3.14 Minh họa luồng hoạt động theo chế Publish/Subscribe 3.4.2 Thiết kế ứng dụng Như nói giải pháp phần mềm chương trước, ứng dụng DHome sử dụng API liên quan đến Publish/Subscribe để hoạt động với Sequelize với sở liệu SQLite thay hoạt động mặc định với MongoDB Để chế Publish/Subscribe hoạt động được, ứng dụng MeteorJS mặc định tạo kết nối WebSocket Server Client, nhờ mà Server tự gửi thông báo Client, Client việc lắng nghe WebSocket Hình 3.15 Minh họa sơ đồ Publish/Subscribe ứng dụng DHome Trong ứng dụng DHome, có sở liệu SQLite dùng để lưu liệu chung cho toàn hệ thống, liệu có thay đổi Server gửi tin thay 38 đổi Client qua kết nối WebSocket thiết lập sẵn từ trước Các tin tuân theo giao thức tên DDP (Distributed Data Protocol)[16], bao gồm tin: o added: Thêm đối tượng vào sở liệu Ví dụ: "{"msg":"added","collection":"device","id":"~10","fields":{"id":10,"name":"Đèn ngủ","status":null,"idx":48,"netadd":2142,"endpoint":16,"groupId":2}}" o changed: Thay đổi liệu đối tượng Ví dụ: "{"msg":"changed","collection":"device","id":"~4","fields":{"status":49}}" o removed: Xóa đối tượng khỏi sở liệu Ví dụ: "{"msg":"removed","collection":"device","id":"~6"}" Như sở liệu Client sở liệu Server, ln cập nhật tức Vấn đề cập nhật thông tin theo thời gian thực giải 39 Chương Kết thực nghiệm Thực tế theo giải pháp DHome, thiết bị Home Server bo mạch nhúng BeagleBone Black, thiết bị sử dụng hệ điều hành Linux tảng ARM Tuy nhiên MeteorJS lại không hỗ trợ tảng này, cịn NodeJS có, nên muốn triển khai ứng dụng MeteorJS ARM cần phải biên dịch ứng dụng NodeJS chạy Chi tiết kỹ thuật xem hướng dẫn Meteor[16] 4.1 Chuẩn bị thiết bị  Server o Đã cài gói nodejs-legacy, npm o Đã kết nối mạng (Ethernet Wi-Fi) o Đã bât kết nối với mô-đun ZNP  Device o Đã bật không kết nối vào mạng ZigBee  Thiết bị điều khiển o Có kết nối Internet, tối thiểu gia nhập mạng LAN với Server o Có trình duyệt hỗ trợ HTML5, có ứng dụng DHome 40 4.2 Giao diện sử dụng thực nghiệm  Giao diện Giao diện thiết kế HTML5 sử dụng thành phần Materialize CSS Trong lập trình MeteorJS, tơi việc thiết kế layout HTML, sau chúng xếp lắp ghép tự động Blaze Hình 4.1 Giao diện điều khiển thiết bị hình lớn 41 Hình 4.2 Giao diện điều khiển thiết bị hình nhỏ Hình 4.3 Giao diện thêm thiết bị, thêm nhóm 42 Hình 4.4 Giao diện quản lý tác vụ  Thực nghiệm Sau kiểm thử chức năng, chức thêm, xóa thiết bị, nhóm, tác vụ; điều khiển trạng thái thiết bị hoạt động tốt theo yêu cầu Bằng cách dùng đồng hồ đo xem log console Home Server, lập bảng thống kê độ trễ (mili giây) hệ thống điều khiển theo dõi trạng thái thiết bị thời gian thực (real-time) Thống kê độ trễ bật/tắt thiết bị nhiều lần cách đo thời gian chênh lệnh sử dụng giao diện Web máy tính để điều khiển theo dõi trạng thái đời thực lẫn điện thoại di động 43 Kiểu kết nối Mạng LAN Mạng Internet Trạng thái đời thực Trạng thái điện thoại (mili giây) (mili giây) Lần 496 572 Lần 233 319 Lần 117 284 Lần 124 251 Lần 138 240 Lần 823 1126 Lần 547 784 Lần 325 561 Lần 389 543 Lần 355 578 STT Bảng 4.1 Thống kê độ trễ điều khiển thiết bị Khi thiết bị điều khiển Home Server mạng LAN lần gửi lệnh có độ trễ cao, sau giảm ổn định khoảng 150ms trạng thái đời thực, 250ms trạng thái giao diện ứng dụng Nguyên nhân độ trễ cao lần gửi lệnh theo suy đốn tơi đến từ kết nối WebSocket Client Server Còn điều khiển qua mạng Internet, điều tương tự xảy lần gửi lệnh đầu tiên, sau ổn định khoảng 350ms trạng thái đời thực, 550ms trạng thái giao diện ứng dụng Do kết nối Client Server phải mạng Internet nên độ trễ cao so với mạng LAN điều đương nhiên Qua thực nghiệm kết thu bảng thống kê trên, khơng đo cách xác phải đồng hồ bấm giây, nhiên phản ánh phần trải nghiệm người dùng Như kết khóa luận, giải pháp DHome đáp ứng yêu cầu tốt, thông tin thiết bị phản hồi gần tức tới Client 44 Chương Kết luận Trong nội dung khóa luận, sâu vào lý thuyết, công nghệ nhà thông minh, đồng thời đề xuất giải pháp điều khiển quản lý thiết bị mang tên DHome Bằng cách sử dụng thiết bị theo chuẩn mạng không dây ZigBee, với công nghệ phát triển phần mềm tiên tiến NodeJS MeteorJS, ứng dụng DHome đem đến chức cần phải có ngơi nhà thơng minh, đồng thời giải số vấn đề giải pháp nhà thông minh nêu chương Các chức hoạt động tốt thêm bớt thiết bị nhà cách dễ dàng, điều khiển quản lý thiết bị theo cấu trúc phân cấp, đồng thời lên lịch trình bật tắt cho thiết bị theo ý muốn Giải pháp DHome cung cấp giao diện dùng cho đa tảng, người dùng truy cập hệ thống đâu miễn có Internet, thiết bị cầm tay đại có hỗ trợ Web thiết bị Android, iOS Tuy nhiên, kết giải pháp DHome cịn số hạn chế hồn thiện chức trên, thiếu tính bảo mật ứng dụng, chưa hỗ trợ cho thiết bị có chức nâng cao tăng giảm sáng, thiết bị cảm biến cảnh báo, thiết bị giải trí, nhiên chức hồn tồn thực tương lai giao thức ZigBee có hỗ trợ nhiều loại thiết bị[1] Giải pháp đưa đề tài khóa luận giới hạn việc điều khiển quản lý thiết bị, nhiên tiền đề, tảng quan trọng cho việc xây dựng hệ thống nhà thơng minh hồn chỉnh sau 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ZigBee Alliance, ZigBee Home Automation, http://www.zigbee.org/zigbee-fordevelopers/applicationstandards/zigbeehomeautomation [2] Ian Poole, ZigBee Technology Tutorial, http://www.radioelectronics.com/info/wireless/zigbee/zigbee.php [3] Wikipedia, ZigBee, https://en.wikipedia.org/wiki/ZigBee [4] Wikipedia, KNX, https://en.wikipedia.org/wiki/KNX_(standard) [5] KNX, Introduction, https://www.knx.org/knxen/knx/technology/introduction/index.php [6] Z-Wave Alliance, About Z-Wave Technology, http://z-wavealliance.org/about_zwave_technology [7] Wikipedia, Z-Wave, https://en.wikipedia.org/wiki/Z-Wave [8] Z-Wave Guide, Z-Wave Home Automation Technology, http://zwaveguide.com [9] Wikipedia, Bluetooth, https://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth [10] Wikipedia, Wi-Fi, https://en.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi [11] BeagleBone Black, https://beagleboard.org/black [12] Texas Instruments, CC2530-ZNP Interface Specification, http://zb4osgi.aaloa.org/redmine/attachments/download/40/CC2530_ZNP_Interface_Spec ification.pdf [13] Wikipedia, Home Automation, https://en.wikipedia.org/wiki/Home_automation [14] Wikipedia, Node.js, https://en.wikipedia.org/wiki/Node.js [15] Wikipedia, Meteor, https://en.wikipedia.org/wiki/Meteor_(web_framework) [16] Meteor, Explore the platform, https://www.meteor.com/projects [17] Wikipedia, SQLite, https://en.wikipedia.org/wiki/SQLite [18] Wikipedia, Nested Set Model, https://en.wikipedia.org/wiki/Nested_set_model 46 [19] Wikipedia, Publish–Subcribe pattern, https://en.wikipedia.org/wiki/Publishsubscribe_pattern [20] Sequelize, Documentation, http://sequelize.readthedocs.org/en/latest [21] Later, Text parser, http://bunkat.github.io/later/parsers.html#text 47 ... nhiệm xử lý chính, chức điều khiển, quản lý thiết bị cung cấp tới thiết bị cá nhân điện thoại, máy tính, thiết bị nhà điều khiển qua mạng không dây ZigBee Server Về bản, có đối tượng vật lý chính:... o Device: Các thiết bị ZigBee nhà điều khiển (theo giải pháp phần cứng) o Group: Nhóm chứa thiết bị, nhóm chứa thiết bị khác giúp phân loại quản lý thiết bị o Task: Tác vụ thiết bị, giúp cho việc... kế, người triển khai hệ thống KNX thiết kế, nạp sơ đồ thiết bị nhà cho thiết bị điều khiển trung tâm (Server), dây thiết bị để sử dụng Sau thiết bị nhà điều khiển thơng qua ứng dụng nhà sản xuất