ỨNG DỤNG IOT TRONG THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG -  - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG IOT TRONG THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH ỨNG DỤNG IOT TRONG THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH Sinh viên thực hiện: Lớp: Khóa:Kỹ Thuật Viễn Thơng 57Giáo viên hướng dẫn: HÀ NỘI - 2021 Năm 2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG -  - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG IOT TRONG THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH Sinh viên thực hiện: Lớp: Khóa: Giáo viên hướng dẫn: Kỹ Thuật Viễn Thông 57 HÀ NỘI - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi có giúp đỡ lớn thầy hướng dẫn Các nội dung nghiên cứu, số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Trong luận văn, tơi có tham khảo đến số tài liệu liệt kê phần tài liệu tham khảo cuối luận văn Người cam đoan i LỜI NÓI ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài: Hiện nay, giới bước vào cách mạng công nghiệp 4.0 với đặc trưng dựa tảng công nghệ số tích hợp tất cơng nghệ thơng minh để tối ưu hóa quy trình, phương thức sản xuất Các công nghệ bật Cuộc Cách Mạng 4.0 cơng nghệ in 3D, trí thơng minh nhân tạo (Artificial Intelligence), Internet vạn vật kết nối (Internet of Things), cơng nghệ điện tốn đám mây (Cloud Computing) xử lý liệu lớn (Big Data) Trong đó, IoT nhắc đến công nghệ cốt yếu Cách Mạng Công Nghiệp 4.0 IoT mở tiềm tích cực khía cạnh đời sống người Trong y tế, IoT giúp giám sát bệnh nhân kỹ quản lý thuốc men tự động Trong nơng nghiệp, ứng dụng thiết lập hệ thống tưới tiêu tự động, kiểm soát độ ẩm phát triển cối Đặc biệt ngày IoT ứng dụng nhiều hệ thống Nhà thông minh (Smart Home) cách thiết lập tự động bật/tắt thiết bị điện nhà như: đèn, hệ thống sưởi, máy lạnh thơng qua điện thoại máy tính bảng Hơn hệ thống tự động thu thập liệu từ cảm biến để đưa ngữ cảnh điều khiển cách phù hợp Theo thống kê cơng ty nghiên cứu thị trường Statista vào năm 2020 giá trị thị trường Nhà thông minh-Smart Home dự báo đạt ngưỡng 43 tỉ USD Con số tăng gấp lần so với năm 2014 Xu hướng nhà thông minh dự báo ứng dụng cơng nghệ cách tồn diện vào sống, nhà không thiết bị thông minh Tại Việt Nam, thị trường Smart Home sôi động với nhà cung cấp lớn nhiều năm như: Bkav, Lumi, ACIS Và gần góp mặt hai hãng công nghệ lớn SamSung Vinsmart, minh chứng rõ ràng cho tiềm phát triển to lớn Smart Home năm Chính vậy, đề tài tập trung nghiên cứu kiến trúc, thành phần ii nhà thông minh để từ thiết kế, xây dựng mơ hình nhà thơng minh II Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Tập trung tìm hiểu, nghiên cứu cấu trúc hệ thống IoT , sở liệu Firebase Google, cơng cụ lập trình Android Studio bo mạch phát triển Arduino, ESP32 Trong thời gian tháng, xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát nhà thông minh với chức III Phương pháp nghiên cứu: Dựa phương pháp phân loại, hệ thống hóa lý thuyết tài liệu khoa học thông tin đa dạng thu thập từ nguồn, tài liệu khác công nghệ IoT từ xây dựng nên mơ hình nhà thông minh sử dụng công cụ phổ biến Bằng thực nghiệm để đánh giá, hiệu chỉnh hệ thống xây dựng IV Mục tiêu nghiên cứu đề tài: Tìm hiểu kiến trúc, thành phần bản, giải pháp tiêu chuẩn hệ thống nhà thơng minh Tìm hiểu cách sử dụng công cụ phổ biến để thiết kế, xây dựng mô hình nhà thơng minh đơn giản V Kết cấu đề tài: Chương 1: Tổng quan IoT nhà thông minh Chương 2: Kiến trúc công nghệ mơ hình nhà thơng minh Chương 3: Thiết kế, xây dựng mơ hình nhà thơng minh ứng dụng IoT Hà Nội, ngày … tháng … năm 2021 Sinh viên thực iii MỤC LỤC TỜ GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CAM ĐOAN I LỜI NÓI ĐẦU II DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT IV TỪ VIẾT TẮT .IV API IV INTERFACE .IV GIAO DIỆN LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG IV IOT IV INTERNET OF THINGS IV INTERNET VẠN VẬT KẾT NỐI .IV TỪ VIẾT TẮT .IV API IV INTERFACE .IV GIAO DIỆN LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG IV IOT IV INTERNET OF THINGS IV INTERNET VẠN VẬT KẾT NỐI .IV DANH MỤC HÌNH VẼ V DANH MỤC BẢNG BIỂU VI CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ NHÀ THÔNG MINH .1 1.1 Tổng quan IoT 1.1.1Khái niệm IoT 1.1.2Kiến trúc IoT 1.1.3Ứng dụng IoT 1.2 Khái niệm nhà thông minh 1.3 Các thành phần nhà thông minh 1.3.1Hệ thống chiếu sáng thông minh .7 1.3.2Hệ thống kiểm soát vào .9 1.3.3Hệ thống quan sát 1.3.4Hệ thống giải trí đa phương tiện 10 1.3.5Hệ thống cảm biến, an ninh 11 1.4 Một số giải pháp hệ thống nhà thông minh Việt Nam 12 1.4.1Bkav Smart Home Luxury 12 1.4.1Nhà thông minh Lumi 15 1.4.2Hệ sinh thái SmartThings SamSung .16 1.5 Kết luận chương 17 CHƯƠNG KIẾN TRÚC VÀ CƠNG NGHỆ TRONG MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH 19 2.1 Kiến trúc phần cứng giao thức truyền thông hệ thống nhà thông minh 19 2.1.1Bộ điều khiển trung tâm – Hub Controller 20 2.1.2Các công nghệ truyền thông Smart Home 21 2.2 Nền tảng liệu phần mềm hệ thống nhà thông minh 35 2.2.1Các tảng IoT (IoT Platform) cho Smart Home .35 2.2.2Các phần mềm cho hệ thống nhà thông minh .39 2.3 Lựa chọn kiến trúc phần cứng, phần mềm cho mơ hình 45 2.3.1Lựa chọn thành thiết bị phần cứng cho mơ hình .45 2.3.2Lựa chọn tảng liệu cho mơ hình 51 2.3.3Lựa chọn phần mềm cho mơ hình 53 2.4 Kết luận chương 54 CHƯƠNG THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH ỨNG DỤNG IOT 55 3.1 Tổng quan mơ hình 55 3.2 Xây dựng hệ thống thiết bị thơng minh mơ hình 56 3.2.1Mạng truyền thông không dây cho thiết bị .56 3.2.2Bộ điều khiển trung tâm – Hub Controller 59 3.2.3Công tắc thông minh- Smart Switch .60 3.2.4Cảm biến không dây – Wireless Sensor 62 3.2.5Bộ điều khiển hồng ngoại – IR remote 64 3.3 Xây dựng sở liệu Server 66 3.4 Xây dựng chương trình điều khiển, giám sát mơ hình thơng qua Smartphone Website 68 3.4.1Chương trình Smartphone 68 3.4.2Chương trình Website 72 3.5 Kiểm thử, đánh giá mơ hình xây dựng 73 3.6 Kết luận chương 78 DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ đầy đủ API Application Programming IoT Interface Internet of Things Internet vạn vật kết nối Từ viết tắt Từ đầy đủ API Application Programming IoT Tiếng Việt Giao diện lập trình ứng dụng Interface Internet of Things Tiếng Việt Giao diện lập trình ứng dụng Internet vạn vật kết nối iv Hình 3.17 thể sơ đồ sở liệu tương ứng với 7 trường thơng tin thiết bị : Hình 3.17 : Sơ đồ sở liệu (Database Diagram) Dữ liệu thiết bị hệ thống lưu server dạng JSON Mỗi liệu tương ứng với cặp “Key – Value “ khác Hình 3.18 : Dữ liệu hệ thống lưu dạng Json 67 Hình 3.19 : Giao diện database Firebase 3.4Xây dựng chương trình điều khiển, giám sát mơ hình thơng qua Smartphone Website Để đáp ứng yêu cầu điều khiển giám sát hệ thống nhà thông minh, ta xây dựng chương trình tương tác với hệ thống cho người dùng hai tảng Website Smartphone 3.4.1 Chương trình Smartphone Chương trình xây dựng tảng Android thông qua công cụ lập trình Android Studio Khi muốn điều khiển thiết bị đó, người dùng kích hoạt nút bấm điều khiển khiển thiết bị tương ứng hình Tương ứng với hành động người dùng, App cập nhật lệnh điều khiển tương ứng lên Firebase Server để truyền Hub điều khiển thiết bị Ngược lại, có liệu từ thiết bị đẩy lên Server truyền điện thoại, App xử lý thị trạng thái tương ứng thiết bị hình cho người dùng 68 Hình 3.20 thể sơ đồ trường hợp sử dụng App mơ hình : Hình 3.20 : Sơ đồ trường hợp sử dụng (Use Case Diagram) Ứng dụng xây dựng từ lớp đối tượng khác : thị, điều khiển, dịch vụ server,… Dưới sơ đồ lớp đối tượng App : Hình 3.21 : Sơ đồ lớp đối tượng (Class Diagram) 69 Để đảm bảo có người dùng cho phép có quyền truy cập vào hệ thống, ta xây dựng hệ thống đăng nhập hệ thống Chức xây dựng dựa tính Authentication Google Firebase Hình 3.22 : Giao diện đăng nhập hệ thống Hình 3.23 : Giao diện App 70 Tương ứng với loại thiết bị có dạng điều khiển khác Hình 3.24 thể dạng điều khiển thiết bị mơ hình : Hình 3.24 : Giao diện điều khiển bật tắt thiết bị thơng thường Hình 3.25 : Giao diện điều khiển cơng suất thiết bị Hình 3.26 : Giao điện điều khiển điều hoà 71 App có biểu đồ theo dõi nhiệt độ, độ ẩm phịng mơ hình : Hình 3.27 : Biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian 3.4.2 Chương trình Website Chương trình hệ thống Website thiết kế ngơn ngữ lập trình Python sử dụng khn dạng Django (Django Framework) Hình 3.28 sơ đồ trường hợp sử dụng Website : Hình 3.28 : Sơ đồ trường hợp sử dụng (Use Case Diagram) Cũng ứng dụng hệ thống chạy Smartphone, chương trình Website xây dựng với chức Đầu tiên người dùng kích hoạt nút bấm điều khiển khiển thiết bị tương ứng website, sau website cập nhật lệnh điều khiển tương ứng lên Firebase Server để truyền Hub điều khiển thiết bị Ngược lại, có liệu từ thiết bị đẩy lên Server truyền về, Website phía client xử lý thị trạng thái tương ứng thiết bị hình cho người dùng Website có 72 biểu đồ tho dõi cảm biến nhiệt độ, độ ẩm phòng theo thời gian thực Hình 3.29 : Giao diện hệ thống Website 3.5Kiểm thử, đánh giá mơ hình xây dựng Kiểm thử bước quan trọng quy trình thiết kế, xây dựng mơ hình để từ có số liệu kết cho bước đánh giá hiệu mơ hình Tại bước kiểm thử mơ hình trơng đồ án cho thiết bị hoạt động liên tục ngày, kiểm tra thiết bị thời điểm ngày.Mỗi lần kiểm tra điều khiển thiết bị App di động Website để kiểm tra tốc độ phản hồi thiết bị Đồng thời đo kiểm tra dòng điện tiêu thụ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không dây Thời gian thử nghiệm từ 7h00 ngày 25/12/2020 đến 21h00 27/12/2020 Dưới kết đo kiểm : 73 Bảng 3.1 : Kết kiểm thử thiết bị lúc 8h00 ngày 25/12/2020 Thiết bị Bài test Điều khiển App Android – Đo tốc độ phản hồi Công tắc Bộ điều khiển Cảm biến thông minh hồng ngoại không dây Phản hồi sau Phản hồi sau 1,12 giây 0,98 giây Điều khiển Website – Đo Phản hồi sau tốc độ phản hồi 1,32 giây Phản hồi sau 1,42 giây Đo dịng điện tiêu thụ chế 37 µA độ ngủ Đo dòng điện tiêu thụ chế 1,57 mA độ bình thường Bảng 3.2 : Kết kiểm thử thiết bị lúc 18h00 ngày 25/12/2020 Thiết bị Bài test Công tắc Bộ điều khiển Cảm biến thông minh hồng ngoại không dây Điều khiển App Android Phản hồi sau – Đo tốc độ phản hồi 1,54 giây Điều khiển Website – Đo Phản hồi sau tốc độ phản hồi 1,34 giây Phản hồi sau 1,21 giây Phản hồi sau 1,52 giây Đo dòng điện tiêu thụ chế 40 µA độ ngủ Đo dịng điện tiêu thụ chế 1,43 mA độ bình thường Bảng 3.3 : Kết kiểm thử thiết bị lúc 7h30 ngày 26/12/2020 Thiết bị Công tắc Bộ điều khiển Cảm biến thông minh hồng ngoại không dây 74 Bài test Điều khiển App Android Phản hồi sau Phản hồi sau – Đo tốc độ phản hồi 0,89 giây 0,98 giây Điều khiển Website – Đo Phản hồi sau Phản hồi sau tốc độ phản hồi 1,02 giây 1,07 giây Đo dịng điện tiêu thụ chế 38 µA độ ngủ Đo dòng điện tiêu thụ chế 1,47 mA độ bình thường Bảng 3.4 : Kết kiểm thử thiết bị lúc 19h30 ngày 26/12/2020 Thiết bị Bài test Công tắc Bộ điều khiển Cảm biến thông minh hồng ngoại không dây Điều khiển App Android Phản hồi sau Phản hồi sau – Đo tốc độ phản hồi 1,21 giây 0,96 giây Điều khiển Website – Đo Phản hồi sau Phản hồi sau tốc độ phản hồi 1,42 giây 1,37 giây Đo dòng điện tiêu thụ chế 37 µA độ ngủ Đo dịng điện tiêu thụ chế 1,52 mA độ bình thường Bảng 3.5 : Kết kiểm thử thiết bị lúc 9h30 ngày 27/12/2020 Thiết bị Bài test Công tắc Bộ điều khiển Cảm biến thông minh hồng ngoại không dây Điều khiển App Android Phản hồi sau 75 Phản hồi sau – Đo tốc độ phản hồi 1,68 giây Điều khiển Website – Đo Phản hồi sau tốc độ phản hồi 1,45 giây 1,23 giây Phản hồi sau 1,05 giây Đo dịng điện tiêu thụ chế 37 µA độ ngủ Đo dòng điện tiêu thụ chế 1,49 mA độ bình thường Bảng 3.6 : Kết kiểm thử thiết bị lúc 21h00 ngày 27/12/2020 Thiết bị Bài test Công tắc Bộ điều khiển Cảm biến thông minh hồng ngoại không dây Điều khiển App Android Phản hồi sau – Đo tốc độ phản hồi 1,24 giây Điều khiển Website – Đo Phản hồi sau tốc độ phản hồi 1,32 giây Đo dòng điện tiêu thụ chế Phản hồi sau 1,07 giây Phản hồi sau 1,58 giây 39 µA độ ngủ Đo dịng điện tiêu thụ chế 1,53 mA độ bình thường Đánh giá Qua kiểm thử thiết bị ta thấy hệ thống hoạt động ổn định thời gian dài Mọi lệnh điều khiển người dùng thực thi giây Với tốc độ phản hồi hệ thống nói đạt mức điều khiển thời gian thực (Real time) Cảm biến không dây hoạt động tốt với mức tiêu thụ lượng cực thấp (~40 µA) suốt q trình hoạt động, tiêu tốn nhiều lượng (~1,5 mA) cho trình thức dậy để đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm truyền Hub Với mức tiêu thụ 76 lượng cảm biến hoạt động nhiều tháng liền mà không cần thay pin 77 3.6 Kết luận chương Như vậy, chương đồ án thiết kế, xây dựng thành cơng mơ hình nhà thơng minh dơn giản từ thành phần lựa chọn chương Các thiết bị mơ hình hoạt động ổn định, mượt mà điều khiển, giám sát phần mềm chạy điện thoại thông minh Website 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A.Kết luận Sau trình nghiên cứu, với nỗ lực thân, với giúp đỡ TS Trần Hoài Trung, đến em hoàn thành đề tài đáp ứng yêu cầu đặt : • Nghiên cứu để nắm khái niệm đặc tính ứng dụng IoT Trong nghiên cứu sâu ứng dụng IoT lĩnh vực nhà thông minh Nắm kiến trúc phần cứng công nghệ, phần mềm áp dụng hệ thống nhà thông minh Từ áp dụng kiến trúc cơng nghệ tìm hiểu vào q trình thiết kế mơ hình nhà thơng minh • Xây dựng thành cơng mơ hình nhà thơng minh đơn giản với hệ thống điều khiển, giám sát mơ hình điện thoại thơng minh website Mơ hình xây dựng đạt yêu cầu sau : - Về mặt phần cứng : Các thiết bị chạy ổn định thời gian dài Các thiết bị phản hồi gần với lệnh điều khiển từ người dùng Các cảm biến không dây hoạt động tốt với khả tiết kiệm lượng Bộ điều khiển hồng ngoại có khả học lệnh điều khiển nhiều loại thiết bị khác - Về mặt phần mềm : Các phần mềm chạy hai tảng Smartphone Website có giao diện trực quan, dễ sử dụng Thông tin thiết bị thị rõ ràng giúp người dùng dễ dàng giám sát điều khiển hệ thống B.Hướng phát triển đề tài Tuy hệ thống hoạt động ổn định, phản hồi tốt với lệnh tương tác từ người dùng cịn số hạn chế cần phát triển thêm sau : 79 • Các mơ hình loại cảm biến giá rẻ nên độ xác chưa cao Cần thay cảm biến với độ xác cao để trở thành cảm biến khơng dây tiềm • Hồn thiện thiết bị để có khả điều khiển thiệt bị điện xoay chiều ngơi nhà • Xây dựng thêm tính mở rộng thiết bị vào hệ thống • Xây dựng thêm tính Automation để hệ thống hoạt động tự động với ngữ cảnh người dùng tuỳ ý xây dựng • Xây dựng thêm tính kết nối với thiết bị trợ lý ảo thông minh Google Home hay Alexa, 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Phạm Anh Dũng , Giáo trình Thơng tin di động hệ 3, NXB Bưu Điện, 2004; [2] Trần Hồng Quân, Nguyễn Bính Lân, Lê Xn Cơng, Phạm Hồng Kỳ, Thơng tin di động, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Năm 2001; [3] Trần Hoài Trung, Nguyễn Việt Long, Bài báo “Bức xạ phát hệ thống đa anten MIMO sử dụng trung bình thơng tin trạng thái kênh”, Số 18, Trang 72 - 78, Tạp chí Nghiên cứu khoa học kỹ thuật công nghệ Quân sự, 04/2012; [4] Trần trọng Nam (2014), Luận văn thạc sỹ Mạng cảm biến không dây đánh giá giải pháp định tuyến tiết kiệm lượng, Đại học Giao thông vận tải, Năm 2014; Tiếng Anh [5] Lathi B P., Modern Digital and Analog Communication Systems, Oxford University Press, Năm 2001; [6] Marvil K Simon and Mohamed-Slim Alouini, Digital Communication over Fading Channels, USA: John Wiley & Sons, Inc., Năm 2005; [7] Tran Van Hung, “Data Fragmentation and Placement in MMDB Cluster”, International Journal of Digital Content Technology and its Applications, Vol.7 No.8, pp.190-201, Năm 2013 Website [8] http://www.cormatech.com.neunrt; [9] http://www.dientuvienthong.net 81 ... CHƯƠNG THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH ỨNG DỤNG IOT 55 3.1 Tổng quan mơ hình 55 3.2 Xây dựng hệ thống thiết bị thơng minh mơ hình 56 3.2.1Mạng truyền thông. .. phần cứng giao thức truyền thông hệ thống nhà thông minh Mơ hình kiến trúc nhà thơng minh thể qua hình đây: Hình 2.1 : Kiến trúc mơ hình nhà thơng minh Trong ngơi nhà thơng minh có nhiều loại thiết. .. chuẩn hệ thống nhà thơng minh Tìm hiểu cách sử dụng công cụ phổ biến để thiết kế, xây dựng mô hình nhà thơng minh đơn giản V Kết cấu đề tài: Chương 1: Tổng quan IoT nhà thông minh Chương 2: Kiến